Caracterização de regiões encefálicas no cérebro normal por tensor de difusão e aplicação à epilepsia pós-traumática

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde.

Conectividade estrutural do cérebro: diferenças entre um cérebro normal e um cérebro com patologia

Perceber a rede estrutural formada pelos neurónios no cérebro a nível da macro escala é um desafio atual na área das neurociências. Neste estudo analisou-se a conectividade estrutural do cérebro em 22 indivíduos saudáveis e em dois doentes com epilepsia pós-traumática. Avaliaram-se as diferenças entre estes dois grupos. Também se pesquisaram diferenças a nível do género e idade no grupo de indivíduos saudáveis e os que têm valores médios mais elevados nas métricas de caracterização da rede. Para tal, desenvolveu-se um protocolo de análise recorrendo a diversos softwares especializados e usaram-se métricas da Teoria dos Grafos para a caracterização da conectividade estrutural entre 118 regiões encefálicas distintas. Dentro do grupo dos indivíduos saudáveis concluiu-se que os homens, no geral, são os que têm média mais alta para as métricas de caracterização da rede estrutural. Contudo, não se observaram diferenças significativas em relação ao género nas métricas de caracterização global do cérebro. Relativamente à idade, esta correlaciona-se negativamente, no geral, com as métricas de caracterização da rede estrutural. As regiões onde se observaram as diferenças mais importantes entre indivíduos saudáveis e doentes são: o sulco rolândico, o hipocampo, o pré-cuneus, o tálamo e o cerebelo bilateralmente. Estas diferenças são consistentes com as imagens radiológicas dos doentes e com a literatura estudada sobre a epilepsia pós-traumática. Preveem-se desenvolvimentos para o estudo da conectividade estrutural do cérebro humano, uma vez que a sua potencialidade pode ser combinada com outros métodos de modo a caracterizar as alterações dos circuitos cerebrais.

Assessment of the quality of brain regions and neuroimaging metrics as biomarkers of Alzheimer’s disease

Alzheimer Disease (AD) is characterized by progressive cognitive decline and dementia. Earlier diagnosis and classification of different stages of the disease are currently the main challenges and can be assessed by neuroimaging. With this work we aim to evaluate the quality of brain regions and neuroimaging metrics as biomarkers of AD. Multimodal Imaging Brain Connectivity Analysis (MIBCA) toolbox functionalities were used to study AD by T1weighted, Diffusion Tensor Imaging and 18FAV45 PET, with data obtained from the AD Neuroimaging Initiative database, specifically 12 healthy controls (CTRL) and 33 patients with early mild cognitive impairment (EMCI), late MCI (LMCI) and AD (11 patients/group). The metrics evaluated were gray-matter volume (GMV), cortical thickness (CThk), mean diffusivity (MD), fractional anisotropy (FA), fiber count (FiberConn), node degree (Deg), cluster coefficient (ClusC) and relative standard-uptake-values (rSUV). Receiver Operating Characteristic (ROC) curves were used to evaluate and compare the diagnostic accuracy of the most significant metrics and brain regions and expressed as area under the curve (AUC). Comparisons were performed between groups. The RH-Accumbens/Deg demonstrated the highest AUC when differentiating between CTRLEMCI (82%), whether rSUV presented it in several brain regions when distinguishing CTRL-LMCI (99%). Regarding CTRL-AD, highest AUC were found with LH-STG/FiberConn and RH-FP/FiberConn (~100%). A larger number of neuroimaging metrics related with cortical atrophy with AUC>70% was found in CTRL-AD in both hemispheres, while in earlier stages, cortical metrics showed in more confined areas of the temporal region and mainly in LH, indicating an increasing of the spread of cortical atrophy that is characteristic of disease progression. In CTRL-EMCI several brain regions and neuroimaging metrics presented AUC>70% with a worst result in later stages suggesting these indicators as biomarkers for an earlier stage of MCI, although further research is necessary.

Pre-operative tractography of the facial nerve in vestibular schwannomas: inter-observer agreement with surgical findings

Pre-operative diffusion tensor (DT) tractography is currently employed in our institutions. We use it to predict the course of the facial nerve (FN) in the vicinity of vestibular schwannomas (VS) of the cerebellopontine angle (CPA). In this study we were interested to assess the inter-observer reproducibility of this method. Two Neuroradiologists (PMGP and TT) determined independently the location of the FN by tractography and compared the results with in-vivo findings of microsurgery of VS.

Quantificação da difusão na ressonância magnética da mama: ADC e Kurtosis

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde. Área de especialização: Ressonância Magnética

DWI: factores que influenciam a medição do coeficiente de difusão aparente (ADC) no estudo da mama

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde. Área de especialização: Ressonância Magnética

Quantificação por imagem ponderada em difusão (DWI) das lesões tumorais da mama

Introdução – A técnica de Difusão por Ressonância Magnética (RM), ao avaliar o movimento das moléculas de água nos tecidos, permite inferir sobre a arquitetura dos mesmos, em particular relativamente à celularidade, volume celular e permeabilidade das membranas. O Coeficiente de Difusão Aparente (ADC) é um parâmetro quantificável da imagem ponderada em difusão (DWI). A sua análise poderá fornecer informação clínica adicional sobre estas lesões, sobretudo em relação à sua caracterização histológica. Objetivos – Caracterizar e diferenciar tipos e alguns subtipos de lesões mamárias através da análise do ADC. Metodologia – 20 Mulheres com 23 lesões mamárias foram submetidas a RM mamária: 3 lesões benignas (3 Fibroadenomas-FA) e 20 malignas (16 Carcinomas Ductais Invasivos-CDI, 2 Carcinomas Ductais In Situ-CDIS e 2 Carcinomas Invasivos Lobulares-CLI). Num equipamento 1.5T aplicou-se uma sequência de Difusão (b=0,50,250,500,750,1000 s/mm2). Obteve-se o ADC através do ajuste exponencial da intensidade de sinal das lesões em função do valor de b, fazendo-se corresponder os valores de ADC à respetiva caracterização histológica e posterior comparação com a literatura. Resultados e Discussão – As lesões malignas apresentaram ADCs significativamente (p=0,014) inferiores [(0,94±0,22)x10-3 mm2/s] aos das benignas [(1,43±0,25)x10-3 mm2/s]. A justificação pode residir no aumento da celularidade e consequente restrição da Difusão que se observa nas lesões malignas. Os CDI apresentaram ADCs baixos [(0,88±0,17)x10-3 mm2/s], enquanto que os CDIS apresentaram ADCs mais elevados [(1,33±0,29)x10-3 mm2/s]. Estes resultados estão de acordo com o facto dos CDIS estarem limitados aos ductos mamários, mantendo-se menos alterada a estrutura do tecido adjacente e resultando numa menor restrição à difusão que nos CDI. Verificaram-se diferenças significativas entre FA e CDI (p=0,010) e entre CDI e CDIS (p=0,049). Conclusões – O ADC possibilita a diferenciação entre lesões mamárias benignas e malignas, bem como entre alguns tipos histológicos. O desenvolvimento deste conceito pode representar um avanço no papel da RM na avaliação destas neoplasias. ABSTRACT - Introduction – The Magnetic Resonance (MR) diffusion technique measures the movement of water molecules in tissues. Therefore, it provides useful information about tissue architecture, specially regarding tissue cellularity, cell volume and membrane permeability. The quantification of diffusion weighted imaging (DWI) data is done by measuring the so-called. Apparent Diffusion Coefficient (ADC). This parameter provides additional clinical information about breast lesions, and potentially allows for in-vivo histological characterization. Purpose – To characterize and differentiate breast lesions through ADC analysis. Methodology – The study comprised 20 women, with 23 breast lesions: 3 benign lesions - 3 Fibroadenomas (FA); and 20 malignant - 16 Invasive Ductal Carcinomas (CDI), 2 Ductal Carcinomas In Situ (CDIS), 2 Invasive Lobular Carcinoma (CLI). On a 1.5T equipment a diffusion-weighted sequence with 6 b-values (b=0,50,250,500,750,1000 s/mm2) was used to examine the patients. ADC was obtained by fitting an exponential to data of lesion signal intensity vs. b values. A correspondence of ADC values to histological lesion characterization was done and finally, the results were comparison with the literature. Results and Discussion – Malignant lesions showed inferior ADCs significantly (p=0.014) lower ((0.94±0.22)x10-3 mm2/s) than the benign lesions ((1.43±0.25)x10-3 mm2/s). This may be associated to increasead cellularity in malignant lesions, which result in higher tissue restriction to diffusion. CDI showed low ADC values ((0.88±0.17)x10-3 mm2/s), while the CDIS showed higher ADCs ((1.33±0.29)x10-3 mm2/s). These results agree with the fact that CDIS are limited to mammary ducts, maintaining a less altered neighboring tissue structure, which results in a lower restriction to diffusion than observed in CDI. Significant differences between FA and CDI (p=0.010) and between CDI and CDIS (p=0.049) were observed. Conclusion – The ADC parameter is able to differentiate between malignant and benign breast lesions, as well as between some histological types.

Surgical proven location of the facial nerve in the vicinity of cerebellopontine angle tumours depicted pre-operatively by tractography

Purpose/Introduction: To determine the clinical utility of pre-operative diffusion tensor (DT) tractography of the facial nerve in the vicinity of cerebellopontine angle (CPA) tumours. The location of the facial nerve was established pre-operatively by tractography and compared with in-vivo electrode stimulation during microsurgery of vestibular schwannomas and rare CPA masses (meningiomas and arachnoid cysts).

Substância branca no cérebro do idoso “bem-sucedido”: avaliação do coeficiente aparente de difusão

Na literatura, os valores das métricas da Diffusion Weighthed Imaging (DWI) não são consensuais. Tanto se relata que o coeficiente aparente de difusão (ADC) é uma medida quantitativa das alterações microestruturais e um marcador sensível às alterações precoces no idoso, como a perda de mielina, como existem outros estudos que contrariam a teoria da senescência da substância branca (SB) e indicam que o ADC não é influenciado pela idade, género ou lateralização do hemicérebro. Objetivos do estudo - Foram objetivos deste estudo contribuir para a diminuição da ambiguidade de opinião quanto às alterações microestruturais da SB no idoso, correlacionando a avaliação das imagens de RM estrutural com os valores da quantificação por ADC e presumir sobre a potencialidade deste binómio na predição das alterações precoces da SB sem que estas estejam ainda traduzidas na imagem por RM.

Fluorescence Microscopy Imaging Denoising with Log-Euclidean Priors and Photobleaching Compensation

Fluorescent protein microscopy imaging is nowadays one of the most important tools in biomedical research. However, the resulting images present a low signal to noise ratio and a time intensity decay due to the photobleaching effect. This phenomenon is a consequence of the decreasing on the radiation emission efficiency of the tagging protein. This occurs because the fluorophore permanently loses its ability to fluoresce, due to photochemical reactions induced by the incident light. The Poisson multiplicative noise that corrupts these images, in addition with its quality degradation due to photobleaching, make long time biological observation processes very difficult. In this paper a denoising algorithm for Poisson data, where the photobleaching effect is explicitly taken into account, is described. The algorithm is designed in a Bayesian framework where the data fidelity term models the Poisson noise generation process as well as the exponential intensity decay caused by the photobleaching. The prior term is conceived with Gibbs priors and log-Euclidean potential functions, suitable to cope with the positivity constrained nature of the parameters to be estimated. Monte Carlo tests with synthetic data are presented to characterize the performance of the algorithm. One example with real data is included to illustrate its application.

Radiological imaging in digital systems: the effect of exposure parameters in diagnostic quality and patient dose

Esta tese pretende contribuir para o estudo e análise dos factores relacionados com as técnicas de aquisição de imagens radiológicas digitais, a qualidade diagnóstica e a gestão da dose de radiação em sistema de radiologia digital. A metodologia encontra-se organizada em duas componentes. A componente observacional, baseada num desenho do estudo de natureza retrospectiva e transversal. Os dados recolhidos a partir de sistemas CR e DR permitiram a avaliação dos parâmetros técnicos de exposição utilizados em radiologia digital, a avaliação da dose absorvida e o índice de exposição no detector. No contexto desta classificação metodológica (retrospectiva e transversal), também foi possível desenvolver estudos da qualidade diagnóstica em sistemas digitais: estudos de observadores a partir de imagens arquivadas no sistema PACS. A componente experimental da tese baseou-se na realização de experiências em fantomas para avaliar a relação entre dose e qualidade de imagem. As experiências efectuadas permitiram caracterizar as propriedades físicas dos sistemas de radiologia digital, através da manipulação das variáveis relacionadas com os parâmetros de exposição e a avaliação da influência destas na dose e na qualidade da imagem. Utilizando um fantoma contraste de detalhe, fantomas antropomórficos e um fantoma de osso animal, foi possível objectivar medidas de quantificação da qualidade diagnóstica e medidas de detectabilidade de objectos. Da investigação efectuada, foi possível salientar algumas conclusões. As medidas quantitativas referentes à performance dos detectores são a base do processo de optimização, permitindo a medição e a determinação dos parâmetros físicos dos sistemas de radiologia digital. Os parâmetros de exposição utilizados na prática clínica mostram que a prática não está em conformidade com o referencial Europeu. Verifica-se a necessidade de avaliar, melhorar e implementar um padrão de referência para o processo de optimização, através de novos referenciais de boa prática ajustados aos sistemas digitais. Os parâmetros de exposição influenciam a dose no paciente, mas a percepção da qualidade de imagem digital não parece afectada com a variação da exposição. Os estudos que se realizaram envolvendo tanto imagens de fantomas como imagens de pacientes mostram que a sobreexposição é um risco potencial em radiologia digital. A avaliação da qualidade diagnóstica das imagens mostrou que com a variação da exposição não se observou degradação substancial da qualidade das imagens quando a redução de dose é efectuada. Propõe-se o estudo e a implementação de novos níveis de referência de diagnóstico ajustados aos sistemas de radiologia digital. Como contributo da tese, é proposto um modelo (STDI) para a optimização de sistemas de radiologia digital.

Blue-enhanced thin-film photodiode for dual-screen x-ray imaging

This article reports on a-Si:H-based low-leakage blue-enhanced photodiodes for dual-screen x-ray imaging detectors. Doped nanocrystalline silicon was incorporated in both the n- and p-type regions to reduce absorption losses for light incoming from the top and bottom screens. The photodiode exhibits a dark current density of 900 pA/cm(2) and an external quantum efficiency up to 90% at a reverse bias of 5 V. In the case of illumination through the tailored p-layer, the quantum efficiency of 60% at a 400 nm wavelength is almost double that for the conventional a-Si:H n-i-p photodiode.

Stacked pin Devices for Imaging Applications

In this paper we present results on the optimization of device architectures for colour and imaging applications, using a device with a TCO/pinpi'n/TCO configuration. The effect of the applied voltage on the color selectivity is discussed. Results show that the spectral response curves demonstrate rather good separation between the red, green and blue basic colors. Combining the information obtained under positive and negative applied bias a colour image is acquired without colour filters or pixel architecture. A low level image processing algorithm is used for the colour image reconstruction.

Difusão molecular em ressonância magnética para estudo de lesões mamárias malignas

Objetivos – Com este estudo pretendeu-se i) avaliar o contributo da aplicação da sequência de difusão na caracterização das lesões mamárias malignas; ii) considerar se a sequência de difusão deve incorporar o protocolo standard em RM mamária e iii) correlacionar os resultados dos valores de coeficiente aparente de difusão (ADC) e os resultados histológicos. Metodologia – A amostra incluiu 18 pacientes do sexo feminino, com idades compreendidas entre 38 e 71 anos, que apresentavam lesões mamárias malignas confirmadas histologicamente. Foi adicionado ao protocolo de RM mamária a sequência de difusão, de modo a calcular os valores de ADC das lesões observadas. Resultados – Verificou-se que a range de valores de ADC para lesões malignas em ROI’s calculados no centro da lesão apresentavam uma média e desvio-padrão de (0,89 ± 0,14x10-3mm2/s). O método da utilização dos valores de ADC na caracterização de lesões mamárias malignas demonstrou uma sensibilidade de 100%. Conclusões – Neste estudo, com uma sensibilidade de 100%, a ponderação em difusão demonstrou ser uma técnica vantajosa na caracterização de lesões mamárias malignas pelo que se sugere a sua introdução no protocolo standard da RM mamária. ABSTRACT - Aims – The aim of this study was i) to evaluate the potential of the DWI sequence in the characterization of malignant breast lesions; ii) to verify if this sequence should incorporate the breast MRI protocol and iii) to correlate the apparent diffusion coefficients (ADC) values and histological results. Methodology – The sample includes 18 female patients between the ages of 38 and 71 years, who presented with malignant breast lesion confirmed by histology. The DWI sequence was added to the MRI standard protocol to calculate the ADC values. Results – In the results obtained we observed that the range of the ADC values calculated in the center of the malignant lesions, showed a mean and standard deviation of 0.89 ± 0.14 x10-3 mm2 / s. This method of using the ADC values for the detection of malignant lesions showed a sensitivity of 100%. Conclusion – The DWI technique proved to be a useful method in the characterization of malignant breast lesions, as it showed a sensitivity of 100%, so we suggest its inclusion in the Breast MR standard protocol.

Digital imaging systems for plain radiography

Advances in digital technology led to the development of digital x-ray detectors that are currently in wide use for projection radiography, including Computed Radiography (CR) and Digital Radiography (DR). Digital Imaging Systems for Plain Radiography addresses the current technological methods available to medical imaging professionals to ensure the optimization of the radiological process concerning image quality and reduction of patient exposure. Based on extensive research by the authors and reference to the current literature, the book addresses how exposure parameters influence the diagnostic quality in digital systems, what the current acceptable radiation doses are for useful diagnostic images, and at what level the dose could be reduced to maintain an accurate diagnosis. The book is a valuable resource for both students learning the field and for imaging professionals to apply to their own practice while performing radiological examinations with digital systems.