Studio teorico e sperimentale del comportamento termo-ottico di tessuti biologici per il trattamento di tumori mediante ablazione laser = Theoretical and experimental study of thermo-optical behaviour of biological tissues for tumours treatment with laser ablation

Si prevede che nel XXI secolo in diversi continenti, come America e Europa, le neoplasie possano diventare la principale causa di morte, superando le malattie cardiovascolari. Tale condizione patologica può presentarsi in diverse forme e può colpire i vari organi corporei, ma la facilità diagnostica e terapeutica non è ripartita tra di essi allo stesso modo. Infatti, per diverse forme tumorali è oggi possibile un trattamento che risulta efficace per la grande maggioranza dei casi; esempio leader tra tutti è il cancro alla mammella che nonostante sia numericamente il più diffuso, presenta una curabilità di circa 80%. Altre forme, invece, risultano essere tutt'oggi critiche, sia dal punto vista diagnostico, che terapeutico. Un esempio è il fegato, che rappresenta una forma neoplastica non eccessivamente diffusa ma caratterizzata da un tasso di sopravvivenza ridotto al 25%. Tumori di questo tipo richiedono quindi un ulteriore sforzo per migliorare le terapie, sia farmacologiche, sia chirurgiche. In particolare, tra queste ultime, negli ultimi anni è cresciuto l’interesse per i trattamenti termici minimamente invasivi, che possono cioè essere effettuati in modo percutaneo. Tra questi, una tra le tecniche più innovative è l’ablazione laser. In questo tipo di trattamento un fascio laser di medio-alta potenza, guidato da una fibra ottica inserita nella massa tumorale, provoca un aumento localizzato di temperatura e, raggiungendo valori citotossici, provoca la necrosi immediata delle cellule. In questa tesi si sono indagati – a livello sperimentale e di modellizzazione – la modalità di interazione tra il fascio ottico e il tessuto biologico, ovvero come il laser si propaga nella regione oggetto del trattamento, e il conseguente effetto termico che regola la mortalità cellulare e definisce quindi l'efficacia del trattamento. Per il primo aspetto si sono analizzati i contributi dovuti all’assorbimento e alla diffusione (scattering) del fascio laser da parte del tessuto biologico, costruendo un banco di misura per determinare i relativi coefficienti da inserire nei modelli di propagazione. Il sistema è stato validato utilizzando dapprima dei fantocci realizzati appositamente per mimare otticamente un tessuto biologico, e in seguito è stato utilizzato su un campione di fegato bovino ex-vivo. Successivamente i valori trovati da queste misure sono stati utilizzati per creare un modello ottico – termico che rappresenta un primo passo verso la realizzazione di uno strumento per la pianificazione di un intervento di ablazione laser, ottimizzando la procedura in base alla tipologia e alla forma di tumore. Parte dell’attività di tesi è stata dedicata anche alla caratterizzazione di sensori in fibra ottica, in particolare quelli basati sui reticoli di Bragg, utilizzati per il monitoraggio della temperatura durante l’intervento di ablazione. Nello specifico alcune tipologie di sensori, inseriti in capillari di vetro per evitare deformazioni meccaniche, sono stati caratterizzati in camera climatica utilizzando un sensore di temperatura di riferimento. Dopo la calibrazione ne è stata valutata anche la sensibilità a effetti parassiti, quali deformazioni meccaniche, qualora vengano utilizzati senza capillari di protezione.