Campi elettromagnetici in diagnostica clinica ed in terapia

DiagClinica

Lo studio dell’interazione tra i campi elettromagnetici e i sistemi biologici, quali il corpo umano, è da molti anni uno dei settori più attivi nella ricerca fondamentale ed applicata che coinvolge le tecnologie dell’elettromagnetismo.

Se storicamente tali attività si sono indirizzate verso lo studio dei possibili effetti nocivi dell’interazione tra campi e sistemi biologici ed alla valutazione dosimetrica, recentemente è emerso un paradigma innovativo, che guarda alle notevoli possibilità offerta dall’utilizzo di tale interazione per produrre uno specifico effetto.

Evidentemente, questo nuovo paradigma è di notevole interesse nell’ambito medico, dove la natura non ionizzante dei campi elettromagnetici, la loro capacità di penetrare la materia, e la specificità delle proprietà elettromagnetiche dei diversi tessuti umani (anche in dipendenza del loro stato patologico) ha dato l’impulso allo studio ed allo sviluppo di nuove metodologie diagnostiche e terapeutiche, che possano affiancarsi a quelle correntemente in uso, al fine di migliorare la qualità (e la precocità) delle diagnosi o contribuire al più efficace trattamento di determinate patologie.

Un possibile esempio di applicazione terapeutica di questo nuovo paradigma è l’ipertermia a microonde, in cui il riscaldamento selettivo dei tessuti affetti da tumore, mediante la focalizzazione dell’energia del campo a microonde nella regione di interesse, è sfruttato per indurre l’apoptosi (termoablazione) delle cellule malate o per incrementare localmente l’efficacia dei farmaci chemio- e radio-terapici. In ambito diagnostico, un esempio è lo screening morfologico e funzionale per la diagnostica precoce del tumore al seno, in cui si sfrutta la diversa risposta a microonde dei tessuti sani rispetto a quelli malati, al fine di ottenere informazioni diagnostiche dalla misura dei campi diffusi dai tessuti in esame.

Rispetto a tale contesto, l’attività di ricerca portata avanti all’IREA ormai da alcuni anni riguarda lo sviluppo di tecnologie innovative di diagnostica e terapia basate sull’uso di campi elettromagnetici alle frequenze delle microonde. In particolare, si mira alla definizione delle condizioni di irradiazione necessarie a indurre l’effetto desiderato, alla sintesi ed alla messa a punto dei relativi sistemi radianti e allo sviluppo di metodologie di elaborazione dati per l’estrapolazione delle informazioni diagnostiche.

In ambito diagnostico, l’attenzione è posta sue due tematiche. La prima consiste nello sviluppo di una tecnica innovativa per la diagnostica precoce del tumore al seno, che sfrutta agenti di contrasto nanomagnetici capaci di concentrarsi selettivamente in tessuti malati. Grazie alla natura non magnetica del corpo umano, l’utilizzo di un tale agente di contrasto, già approvato per altri utilizzi biomedicali, consente di ridurre l’incidenza di falsi positivi e negativi, con un ovvio beneficio in termini di affidabilità e qualità della diagnosi. La seconda tematica riguarda lo studio dell’utilizzo di tecniche di imaging differenziale a microonde per monitorare l’evoluzione di una patologia nel suo decorso o nell’arco di una terapia. In particolare, l’attenzione è rivolta al monitoraggio dei cambiamenti fisiologici dei tessuti cerebrali causati da alterazioni del normale flusso sanguigno (ischemie, emorragie) o eventi traumatici (ematoma). In entrambe i casi, le attività di ricerca mirano alla progettazione di dispositivi in grado di ottimizzare l’interazione tra campi elettromagnetici e tessuti umani e a sviluppare approcci di imaging capaci di caratterizzare, dal punto di vista delle proprietà elettromagnetiche, ambienti biologici complessi.

Per quel che riguarda gli aspetti terapeutici, l’attività di ricerca affronta lo sviluppo di nuove metodologie per l’ipertermia a microonde, e in particolare la progettazione e realizzazione di applicatori capaci di focalizzare l’energia elettromagnetica nei tessuti malati, minimizzando al contempo il riscaldamento dei tessuti circostanti, al fine di evitare effetti collaterali. L’uso di opportune tecniche di ottimizzazione per la sintesi di campo e l’accurata modellizzazione numerica della propagazione del segnale elettromagnetico e della sua interazione con le strutture biologiche esposte sono cruciali per l’attività, che inoltre fornisce anche gli strumenti necessari all’opportuna pianificazione di trattamenti terapeutici specifici.

Infine, è anche oggetto di studio la possibilità di utilizzare l’insieme delle metodologie e degli strumenti sviluppati per la messa a punto di sistemi “teranostici”, in cui la natura duale (diagnostico/terapeutica) delle microonde è utilizzata in modo sinergico. In particolare, l’obiettivo è il progetto di un sistema che integri un dispositivo per la terapia termica con un dispositivo diagnostico, in grado di ottenere le informazioni necessarie alla pianificazione del trattamento terapeutico specifico e verificare in corso d’opera l’evoluzione e l’efficacia dello stesso.


Additional Info

Articoli su riviste internazionali

Scapaticci, R., Bucci, O.M., Catapano, I., Crocco, L., “Differential microwave imaging for brain stroke followup” International Journal of Antennas and Propagation, 2014, art. no. 312528, .

Iero, D.A.M., Isernia, T., Crocco, L., “Focusing time-harmonic scalar fields in complex scenarios: A comparison”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 12, pp. 1029-1032, 2013, art. no. 6571202.

Iero, D.A.M., Isernia, T., Crocco, L., “Focusing time harmonic scalar fields in non-homogenous lossy media: Inverse filter vs. constrained power focusing optimization”, Applied Physics Letters, 103 (9), 2013, art. no. 093702.

Scapaticci, R., Catapano, I., Crocco, L., “Wavelet-based adaptive multiresolution inversion for quantitative microwave imaging of breast tissues”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 60 (8), pp. 3717-3726, 2012, art. no. 6204035.

Crocco, L., Di Donato, L., Iero, D.A.M., Isernia, T., “A new strategy to constrained focusing in unknown scenarios”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 11, pp. 1450-1453, 2012, art. no. 6362160.

Scapaticci, R., Di Donato, L., Catapano, I., Crocco, L., “Feasibility study on microwave imaging for brain stroke monitoring”, Progress In Electromagnetics Research B, (40), pp. 305-32, 2012.

Crocco, L., Di Donato, L., Iero, D.A.M., Isernia, T., “An adaptive method to focusing in an unknown scenario”, Progress in Electromagnetics Research, 130, pp. 563-579, 2012.

Bellizzi, G., Bucci, O.M., Catapano, I., “Microwave cancer imaging exploiting magnetic nanoparticles as contrast agent”, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 58 (9), pp. 2528-2536, 2011, art. no. 5783507.

Romeo, S., Di Donato, L., Bucci, O.M., Catapano, I., Crocco, L., Scarfi, M.R., Massa, R., “Dielectric characterization study of liquid-based materials for mimicking breast tissues”, Microwave and Optical Technology Letters, 53 (6), pp. 1276-1280, 2011.

Iero, D., Isernia, T., Morabito, A.F., Catapano, I., Crocco, L., “Optimal constrained field focusing for hyperthermia cancer therapy: A feasibility assessment on realistic phantoms” Progress in Electromagnetics Research, 102, pp. 125-141, 2010.

 

Atti di conferenze internazionali

Bellizzi, G., Catapano, I., Crocco, L., Scapaticci, R., Bucci, O.M., “Feasibility issues in breast cancer microwave imaging enhanced with magnetic nanoparticles”, Proceedings of 7th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2013, pp. 2921-2922, 2013, art. no. 6546837.

Scapaticci, R., Bucci, O.M., Catapano, I., Crocco, L., “Robust microwave imaging for brain stroke monitoring”, Proceedings of 7th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2013, pp. 75-78, 2013, art. no. 6546218.

Iero, D.A.M., Crocco, L., Isernia, T., “Comparing two focusing methods for microwave hyperthermia beamforming”, Proceedings of 7th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2013, pp. 2917-2918, 2013, art. no. 6546836.

Bellizzi, G., Bucci, O.M., Catapano, I., Crocco, L., Scapaticci, R., “Feasibility study of a novel microwave breast cancer imaging approach exploiting Magnetic Nanoparticle as contrast agents”, Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society, AP-S International Symposium (Digest), 2012, art. no. 6348909.

Bellizzi, G., Bucci, O.M., Catapano, I., Crocco, L., Scapaticci, R., “Magnetic nanoparticles enhanced microwave imaging: A feasibility assessment”, Proceedings of 6th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2012, pp. 177-180, 2012, art. no. 6205967.

Iero, D.A.M., Isernia, T., Crocco, L., Catapano, I., “Focused microwave thermotherapy: A patient-specific numerical assessment of a non-invasive breast cancer treatment”, Proceedings of 6th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2012, , pp. 3646-3650, 2012, art. no. 6206017.

Scapaticci, R., Crocco, L., Bucci, O.M., Catapano, I., “Assessment of inversion strategies for microwave imaging of weak magnetic scatterers embedded into a biological environment”, Proceedings of 6th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2012, pp. 1761-1765, 2012, art. no. 6205969.

Bellizzi, G., Bucci, O.M., Catapano, I., “Magnetic nanoparticle as contrast agent for microwave breast cancer imaging”, Proceedings of 4th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2010, 2010, art. no. 5505016.

Catapano, I., Crocco, L., Di Donato, L., Angiulli, G., Isernia, T., Morabito, A., Tringali, S., Bucci, O.M., “Guidelines for effective microwave breast imaging: A numerical assessment against 3D anthropomorphic phantoms”, Proceedings of 4th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2010, 2010, art. no. 5505232.

 

    Nell'ambito della tematica Campi Elettromagnetici in Diagnostica clinica ed in Terapia l'IREA è coinvolta nell'iniziativa MERIT - Medical Research in ITaly e nella COST Action TD1301 Accelerating the Technological, Clinical and Commercialisation Progress in the Area of Medical Microwave Imaging.

    Inolte collabora con l'Università degli Studi di Napoli Federico II, l'Università Mediterranea di Reggio Calabria e il King’s College (UK)

    1 Elettromagnete per la generazione di campi magnetici statici.

    3 Dual Processor con 8 GigaByte di RAM, 2 Intel Core I-5 Processor con 8 GigaByte di RAM, 1Workstation con 8 Processori Xeon e 256 GigaByte di RAM.

    1Workstation con 8 Processori e 48 GigaByte di RAM.

    1Workstation con 8 Processori e 144 GigaByte di RAM.

    Codici di calcolo proprietari per la modellistica diretta ed inversa dei fenomeni elettromagnetici alle microonde


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