Optimization of the 4D contrast-enhanced computed tomography postprocessing settings for accurate strain mapping of vascular tissues

Cardiovascular pathologies represent all around the word an incumbent problem causing every year the death of millions of people. The perfect functioning of the heart and blood vessels is fundamental for the healthy maintenance of the body. The mechanical behaviour of the vessels’ tissue is strongly linked to their microstructure, but this can be harmed by the damaging effects of pathologies. Hence, more interest is raised about the cardiovascular anatomy to deepen the relationship occurring between microstructure of the tissues and cardiovascular diseases. The progress of the technology led to the development of many imaging tools. Microfocus X-rays computed tomography (microCT) is a non-destructive approach able to resolve micrometre scale structure. The combination of this technology with in situ mechanical tests (i.e., 4DmicroCT) allows to describe the mechanical response of the material analysed when loaded or stressed. In material science this field is widely covered, but in biomedical field more studies are required since many difficulties are still not overcome. Hard and mineralized tissues lend themself well to 4DmicroCT analysis; on the contrary soft tissue, such as blood vessels, because of their low X-rays attenuation makes this approach more complex. To overcome this issue, the introduction of contrast agents has been implemented (i.e., contrast-enhanced microCT or CECT) leading to the acquisition of 3D images of the microstructure while the structure in analysis is deformed (i.e., 4D-CECT). The further combination of 4DmicroCT with specific techniques, such as the Digital Image Correlation (DIC) or the Digital Volume Correlation (DVC), bring to the possibility to quantify the displacement and the strain. Despite so, in literature there is the necessity of investigate this field in particular to define the post-processing imaging procedure and the image acquisition parameters setting, balancing the image quality and the tissue damage caused by the X-rays radiation dose and the loading process. This study aims to explore the postprocessing analysis, focusing on the DVC technique. Two different types of datasets, synthetic sheets originated via Python script aiming to mimic the elastin fibres and porcine aorta specimen microCT scans, are virtually deformed and the displacement field is computed. The first main goal is to understand if the synthetic sheets could be a reliable tool able to faithfully reproduce the behaviour of the synthetic sheets. The second main goal is to understand how to improve the DVC, analysing the different factors that could influence it and how the different acquisition parameters could affect the image quality. Was possible to assess that the virtual deformation, both on synthetic and real datasets, coupled with the DVC analysis work properly. This master thesis work could represent a good starting point for future improvement of this topic, to get acquaintance with the use of the synthetic sheets as tool for the enhancing of the DVC technique.

Le patologie cardiovascolari rappresentano una problematica sempre più impellente in tutto il mondo, causando milioni di morti ogni anno. Il corretto funzionamento del cuore e dei vasi sanguigni è fondamentale per il mantenimento in salute dell’organismo. Il comportamento meccanico dei tessuti vascolari è strettamente legato alla loro microstruttura, ma questa può essere compromessa dagli effetti dannosi delle patologie. Negli anni, lo studio dell’apparato cardiovascolare ha suscitato molto interesse anche per approfondire la relazione tra la microstruttura dei tessuti e le malattie cardiovascolari e i progressi della tecnologia hanno portato allo sviluppo di numerose tecniche di imaging utili a questo scopo. MicroCT (micro-tomografia computerizzata) è un approccio non distruttivo in grado di analizzare strutture su scala micrometrica. La combinazione di questa tecnologia i con test meccanici in situ (4DmicroCT) consente di descrivere la risposta meccanica del materiale analizzato quando viene sottoposto a sollecitazioni. I tessuti mineralizzati si prestano bene all'analisi 4DmicroCT; al contrario, i tessuti molli come i tessuti arteriosi, a causa della loro bassa attenuazione dei raggi X rendono questo approccio più complesso. Perciò, è stato implementato l’uso degli agenti di contrasto, migliorando l'acquisizione di immagini 3D anche dei tessuti molli mentre la struttura in analisi viene deformata (4D-CECT). Essa rappresenta uno strumento valido per indagare la microstruttura dei vasi sanguigni, mirando a raggiungere l'obiettivo principale: chiarire la relazione tra microstruttura ed effetti delle patologie. La combinazione con tecniche specifiche, come la correlazione digitale di volumi (DVC), permette poi di quantificare lo spostamento e la deformazione subiti. Questo lavoro di tesi magistrale punta a migliorare la procedura di post-processing concentrandosi sulla tecnica DVC e a definire i parametri di acquisizione delle immagini per ottenere la migliore qualità possibile limitando il danneggiamento dei tessuti e l'alterazione delle loro proprietà meccaniche a causa dell’esposizione ai raggi X. Lo studio si è concentrato su due diversi tipi di dataset che vengono deformati virtualmente, calcolandone poi il campo di spostamento: fibre sintetiche generate tramite uno script in Python che imitino le fibre di elastina della parete arteriosa e campioni di aorta di suino acquisiti tramite microCT. Il primo obiettivo è capire se le fibre sintetiche possano essere uno strumento affidabile in grado di riprodurre fedelmente il comportamento delle fibre di elastina. Il secondo obiettivo è migliorare la procedura di DVC, analizzando i diversi fattori che potrebbero influenzarla. È stato possibile valutare, sia su dataset sintetici che reali, la fattibilità della deformazione virtuale unita all'analisi DVC. Pertanto, in questo lavoro di tesi magistrale vengono discussi diversi aspetti che influenzano la DVC, al fine di acquisirne una migliore comprensione.