Sensing a microonde: realizzazione e testing di un phantom multitessuto per la diagnosi precoce del morbo di Alzheimer = Microwave sensing: realization and testing of a multi-tissue phantom for the early diagnosis of Alzheimer’s disease

L’Alzheimer è un disturbo neurologico progressivo che provoca la contrazione del cervello (atrofia) e la morte delle cellule cerebrali ed è la forma più comune di demenza. È stato studiato che i soggetti con predisposizione all’Alzheimer hanno un accumulo di proteine beta-amiloide nel liquido cerebrospinale (CSF), dalle quali si originano dei frammenti che raggruppandosi creano le placche amiloidi. Inoltre, le proteine tau, le quali svolgono un ruolo di trasporto di nutrienti e altri materiali essenziali per i neuroni, cambiano forma e si organizzano in strutture dette grovigli neurofibrillari che interrompono il sistema di trasporto e sono tossici. Ad oggi non esistono trattamenti che curino il morbo di Alzheimer o alteri il processo patologico nel cervello. Per diagnosticare la malattia si utilizza una tecnica invasiva che prevede di estrarre il CSF dalla colonna vertebrale per poterlo analizzare. Questa Tesi propone una tecnologia alternativa basata sul sensing a microonde, che consente di rilevare le variazioni delle proprietà dielettriche del CSF nei soggetti con predisposizione all'Alzheimer in modo non invasivo e sicuro per il paziente. Infatti, è stato osservato che, rispetto al caso di un soggetto sano, nel range compreso tra 500 MHz e 4.5 GHz si ha una diminuzione della permettività, con valori di conducibilità circa costanti. L'obiettivo della Tesi è svolgere uno studio di fattibilità tramite misure su un phantom realistico appositamente progettato. Come contributo principale, il lavoro fornisce una descrizione dettagliata dell’intero processo di manifattura: si realizza un phantom multi-tessuto che rappresenta fedelmente la struttura della testa e in cui è possibile variare le proprietà del CSF in esperimenti successivi. Inoltre i materiali utilizzati hanno la caratteristica di non essere dannosi e di essere stabili nel tempo. Per prima cosa si vogliono realizzare miscele che abbiano caratteristiche dielettriche nella banda di frequenze di interesse il più simile possibile ai tessuti umani. Utilizzando come componenti l’acqua, il Triton X-100 e il sale si riproduce il CSF sano e si simulano i casi patologici, in base ai dati disponibili in letteratura. Delle miscele di gomma uretanica e polvere di grafite, in quantità relative opportunamente selezionate, sono invece utilizzate per realizzare i seguenti tessuti: cute, grasso, osso, materia grigia, materia bianca, cervelletto e ventricoli. In seguito, a partire da un modello antropomorfico digitale, tramite un software CAD e la stampa 3D si estraggono le maschere utilizzate per il molding di tutte le componenti, che aggregate insieme generano il phantom completo. Infine, si eseguono le misure con un dispositivo a microonde che sfrutta due antenne in trasmissione e ricezione, modificando il CSF in modo da valutare una variazione del valore di permettività. Dall’analisi dei parametri di scattering si evidenzia, per la prima volta in via sperimentale, uno scostamento tra i valori di soggetti sani e di soggetti patologici. I risultati ottenuti e il phantom realizzato sono un primo passo essenziale verso la completa validazione dell'uso delle microonde come strumento per la diagnosi precoce dell'Alzheimer.