Comparação entre o pencil beam convolution algorithm e o analytical anisotropic algorithm em tumores de mama

Mestrado em Radioterapia

Comparison of the pencil beam convolution algorithm and the analytical anisotropic algorithm in breast tumors

The calculation of the dose is one of the key steps in radiotherapy planning1-5. This calculation should be as accurate as possible, and over the years it became feasible through the implementation of new algorithms to calculate the dose on the treatment planning systems applied in radiotherapy. When a breast tumour is irradiated, it is fundamental a precise dose distribution to ensure the planning target volume (PTV) coverage and prevent skin complications. Some investigations, using breast cases, showed that the pencil beam convolution algorithm (PBC) overestimates the dose in the PTV and in the proximal region of the ipsilateral lung. However, underestimates the dose in the distal region of the ipsilateral lung, when compared with analytical anisotropic algorithm (AAA). With this study we aim to compare the performance in breast tumors of the PBC and AAA algorithms.

Fórmula de cálculo do volume de ultrafiltrado extraído pela ultrafiltração modificada, em indivíduos adultos

O principal objectivo do estudo é determinar uma fórmula de cálculo para o volume de ultrafiltrado a retirar, pela Ultrafiltração Modificada (UFM), a doentes adultos submetidos a cirurgia cardíaca. A população-alvo é constituída por 489 casos relativos às cirurgias cardíacas realizadas entre Janeiro de 2003 e Dezembro de 2005, que cumprem os critérios de inclusão e exclusão definidos. Trata-se de um estudo retrospectivo, do tipo correlacional quantitativo com abordagem dedutiva, em que as variáveis estudadas foram obtidas através da consulta dos relatórios de perfusão cardiovascular do serviço de Cirurgia Cardiotorácica do Hospital de Santa Marta, EPE. A relação entre as variáveis em estudo foi analisada através da correlação e modelos de regressão linear. O modelo obtido para definir a fórmula de cálculo desejada tem por base a correlação existente entre o volume a retirar por UFM e a superfície corporal do doente, sendo este o único dos três modelos estudados que demonstra uma dependência, ainda que fraca, entre as variáveis, e exprimindo-se através da fórmula Y=545,4.X3, em que Y é o volume a retirar por UFM e X é o valor da superfície corporal de cada doente, e sendo representativo apenas para 4% da população em estudo.” O aumento médio de hemoglobina pós-UFM é de 1,9±1,09g/ dl, o que traduz eficácia da técnica na obtenção de hemoconcentração.

Conceito de volume

Este estudo analisa o modo como se desenvolve a aprendizagem do conceito de volume nos alunos do 6º ano de escolaridade, no quadro de uma proposta pedagógica que dá ênfase a actividades que apelam à visualização e ao raciocínio espacial. O seu objectivo principal foi o de compreender as ideias que os alunos do 6.º ano têm sobre volume e perceber como se desenvolvem quando são envolvidos numa experiência de ensino, tendo por base uma cadeia de tarefas que apelam à visualização e ao raciocínio espacial. O estudo seguiu uma metodologia de investigação qualitativa baseada em estudos de caso. A proposta pedagógica foi desenvolvida em quatro aulas; três de noventa minutos e uma de quarenta e cinco minutos, durante os 2º e 3º períodos do ano lectivo de 2009/2010. A recolha de dados envolveu a realização de gravações áudio, em ambiente de sala de aula, dos alunos que constituíram os estudos de caso, registo de observações do desempenho dos alunos e os documentos produzidos por estes. Os resultados mostram que, ao longo da proposta pedagógica, os alunos adquiriram estratégias de contagem que lhes permitiram criar estruturas, para compreender a organização dos paralelepípedos e desenvolver o conceito de volume. iii ABSTRACT This study examines how 6th graders’ students develop the concept of volume in a learning experience context which emphasizes the visualization and spatial reasoning. The main objective of this study is to understand the ideas of 6th grade students about volume and see how they develop them when they are involved in a learning experience, based on a sequence of tasks that call for visualization and spatial reasoning. The study followed a qualitative research methodology based on case studies. The learning experience was developed in four classes, three ninety minutes period and one forty-five minutes, during the 2nd and 3rd terms of the school year 2009/2010. Data collection involved the use of audio recordings in the classroom environment, recording observations of student performance and the documents produced by them. The results showed that, over the learning experience, students acquired counting strategies that allowed them to create structures for understanding the organization of cubes arrays and develop the concept of volume.

Learning dependent sources using mixtures of Dirichlet: applications on hyperspectral unmixing

This paper is an elaboration of the DECA algorithm [1] to blindly unmix hyperspectral data. The underlying mixing model is linear, meaning that each pixel is a linear mixture of the endmembers signatures weighted by the correspondent abundance fractions. The proposed method, as DECA, is tailored to highly mixed mixtures in which the geometric based approaches fail to identify the simplex of minimum volume enclosing the observed spectral vectors. We resort then to a statitistical framework, where the abundance fractions are modeled as mixtures of Dirichlet densities, thus enforcing the constraints on abundance fractions imposed by the acquisition process, namely non-negativity and constant sum. With respect to DECA, we introduce two improvements: 1) the number of Dirichlet modes are inferred based on the minimum description length (MDL) principle; 2) The generalized expectation maximization (GEM) algorithm we adopt to infer the model parameters is improved by using alternating minimization and augmented Lagrangian methods to compute the mixing matrix. The effectiveness of the proposed algorithm is illustrated with simulated and read data.

Sistema de gestão de segurança para a prevenção de acidentes graves (SGSPAG): manual de implementação para o sector químico: volume I

A evolução dos acidentes graves envolvendo substâncias perigosas ocorridos no Sector Químico, não deixa dúvidas de que as características intrínsecas da própria actividade industrial podem estimular a ocorrência dos acidentes graves, proporcionando sérias consequências à Comunidade envolvente, à própria Propriedade e ao meio ambiente, cujas responsabilidades estão inseridas na Gestão Empresarial. Desta forma torna-se fundamental o desenvolvimento e implementação de um Sistema de Gestão de Segurança para a Prevenção de Acidentes Graves num Estabelecimento de Nível Superior de Perigosidade. O objectivo global deste trabalho, baseia-se no estabelecimento de um Quadro Metodológico de aplicação do Regime de Prevenção de Acidentes Graves ao Sector Químico, suportado num Sistema de Gestão de Segurança para a Prevenção de Acidentes Graves (SGSPAG) e no respectivo Manual de Implementação. Para tal foi realizado um enquadramento teórico, técnico-científico, e legal da prevenção de acidentes graves que envolvam substâncias perigosas, a concepção de um SGSPAG e elaboração do Manual de Implementação e a aplicação a um Caso de Estudo Industrial do SGSPAG com a correspondente análise crítica. O contexto específico foi o da Refinaria de Sines - Instalação de Dessulfuração de Gasóleo. A pesquisa foi acompanhada por um conjunto de métodos que permitiram uma visão mais actual do assunto no contexto seleccionado (dados adquiridos através de referências bibliográficas, da observação in-loco de auditorias de SGSPAG, da consulta de documentação relativa a auditorias SGSPAG e do estudo da legislação vigente e passada). Os resultados obtidos no Caso de Estudo Industrial, demonstraram que uma visão mais integradora e global podem contribuir para um melhor entendimento dos acidentes graves envolvendo substâncias perigosas e a sua prevenção, possibilitando um envolvimento maior e o comprometimento efectivo de todos, sejam eles trabalhadores (internos ou serviços subcontratados), Chefes de Secção, Responsáveis de Área, fornecedores, profissionais de outras áreas, Direcção da Empresa, representantes sindicais ou governamentais ou a própria Comunidade envolvente, estando o SGSPAG da Refinaria de Sines globalmente concebido, implementado e a demonstrar aptidão para, de uma forma consistente, cumprir os requisitos aplicáveis no DL nº 254/2007 e atingir os objectivos da Politica de Prevenção de Acidentes Graves.

GA topology optimization using random keys for tree encoding of structures

Topology optimization consists in finding the spatial distribution of a given total volume of material for the resulting structure to have some optimal property, for instance, maximization of structural stiffness or maximization of the fundamental eigenfrequency. In this paper a Genetic Algorithm (GA) employing a representation method based on trees is developed to generate initial feasible individuals that remain feasible upon crossover and mutation and as such do not require any repairing operator to ensure feasibility. Several application examples are studied involving the topology optimization of structures where the objective functions is the maximization of the stiffness and the maximization of the first and the second eigenfrequencies of a plate, all cases having a prescribed material volume constraint.

Aplicação dos critérios de adequação (appropriateness criteria) a um laboratório de ecocardiografia de grande volume de um hospital privado

Mestrado em Tecnologia de Diagnóstico e Intervenção. Área de especialização: Ultrassonografia Cardiovascular.

IOPT Petri Net State Space Generation Algorithm with Maximal-Step Execution Semantics

This paper presents an algorithm to efficiently generate the state-space of systems specified using the IOPT Petri-net modeling formalism. IOPT nets are a non-autonomous Petri-net class, based on Place-Transition nets with an extended set of features designed to allow the rapid prototyping and synthesis of system controllers through an existing hardware-software co-design framework. To obtain coherent and deterministic operation, IOPT nets use a maximal-step execution semantics where, in a single execution step, all enabled transitions will fire simultaneously. This fact increases the resulting state-space complexity and can cause an arc "explosion" effect. Real-world applications, with several million states, will reach a higher order of magnitude number of arcs, leading to the need for high performance state-space generator algorithms. The proposed algorithm applies a compilation approach to read a PNML file containing one IOPT model and automatically generate an optimized C program to calculate the corresponding state-space.

Estudo dosimétrico comparativo do Acuros® XB: algoritmo avançado de cálculo de dose com o AAA – Anisotropic Analytical Alghorithm, em tratamentos de radioterapia externa com a técnica de RapidArc™

Mestrado em Radioterapia.

Influência do volume vesical na diminuição da dose recebida na bexiga e no PTV em doentes com tumor de reto tratados com belly-board

Introdução: O cancro retal continua a ser um dos principais problemas de saúde a nível mundial, sendo a toxicidade gastro-intestinal e génito-urinária os efeitos tardios da radioterapia mais reportados. A utilização da Belly-Board para minimizar essa toxicidade, reduzindo o volume de bexiga e intestino delgado irradiados é recomendada. No entanto, o protocolo mais adequado para o volume vesical nestes doentes é ainda tema de controvérsia. Objetivo: Avaliar a influência do volume vesical na dose recebida na bexiga e no PTV, em doentes com tumor de reto, posicionados em decúbito ventral, com belly-board. Materiais e Métodos: 38 doentes com tumor de reto tratados no CHBM, agrupados em dois grupos: o 1º grupo, com 19 doentes que realizaram tratamento com bexiga cheia e o 2º grupo, com 19 doentes que realizaram tratamento com bexiga vazia. Os dados foram obtidos através dos HDV’s e foram comparadas as doses máximas no PTV e a percentagem de volume de bexiga que recebe 50Gy. Foi utilizado o teste estatístico U-Mann Whitney com um nível de significância de 0,05. A hipótese de pesquisa deste estudo propõe que os dois grupos diferem significativamente entre si e a hipótese nula propõe que os dois grupos não diferem significativamente entre si, para ambas as variáveis. Resultados: Não se observaram diferenças estatisticamente significativas entre os grupos no que diz respeito à dose máxima no PTV. No que se refere à percentagem de volume de bexiga que recebe 50Gy verificaram-se diferenças estatisticamente significativas, tendo o grupo de doentes que realizaram tratamento com bexiga cheia apresentado valores mais baixos. Conclusões: Este estudo demonstrou o benefício da utilização do protocolo de bexiga cheia em doentes com tumor de reto tratados com belly-board, na diminuição da percentagem de volume de bexiga que recebe 50Gy.

Comparação do cálculo de dose com os algoritmos Analytical Anisotropic Algorithm e Pencil Beam Convolution na patologia de pulmão

Mestrado em Radioterapia.

The use of non-standard CT conversion ramps for Monte Carlo verification of 6 MV prostate IMRT plans

Monte Carlo (MC) dose calculation algorithms have been widely used to verify the accuracy of intensity-modulated radiotherapy (IMRT) dose distributions computed by conventional algorithms due to the ability to precisely account for the effects of tissue inhomogeneities and multileaf collimator characteristics. Both algorithms present, however, a particular difference in terms of dose calculation and report. Whereas dose from conventional methods is traditionally computed and reported as the water-equivalent dose (Dw), MC dose algorithms calculate and report dose to medium (Dm). In order to compare consistently both methods, the conversion of MC Dm into Dw is therefore necessary. This study aims to assess the effect of applying the conversion of MC-based Dm distributions to Dw for prostate IMRT plans generated for 6 MV photon beams. MC phantoms were created from the patient CT images using three different ramps to convert CT numbers into material and mass density: a conventional four material ramp (CTCREATE) and two simplified CT conversion ramps: (1) air and water with variable densities and (2) air and water with unit density. MC simulations were performed using the BEAMnrc code for the treatment head simulation and the DOSXYZnrc code for the patient dose calculation. The conversion of Dm to Dw by scaling with the stopping power ratios of water to medium was also performed in a post-MC calculation process. The comparison of MC dose distributions calculated in conventional and simplified (water with variable densities) phantoms showed that the effect of material composition on dose-volume histograms (DVH) was less than 1% for soft tissue and about 2.5% near and inside bone structures. The effect of material density on DVH was less than 1% for all tissues through the comparison of MC distributions performed in the two simplified phantoms considering water. Additionally, MC dose distributions were compared with the predictions from an Eclipse treatment planning system (TPS), which employed a pencil beam convolution (PBC) algorithm with Modified Batho Power Law heterogeneity correction. Eclipse PBC and MC calculations (conventional and simplified phantoms) agreed well (<1%) for soft tissues. For femoral heads, differences up to 3% were observed between the DVH for Eclipse PBC and MC calculated in conventional phantoms. The use of the CT conversion ramp of water with variable densities for MC simulations showed no dose discrepancies (0.5%) with the PBC algorithm. Moreover, converting Dm to Dw using mass stopping power ratios resulted in a significant shift (up to 6%) in the DVH for the femoral heads compared to the Eclipse PBC one. Our results show that, for prostate IMRT plans delivered with 6 MV photon beams, no conversion of MC dose from medium to water using stopping power ratio is needed. In contrast, MC dose calculations using water with variable density may be a simple way to solve the problem found using the dose conversion method based on the stopping power ratio.

Comparison of different breast planning techniques and algorithms for radiation therapy treatment

This work aims at investigating the impact of treating breast cancer using different radiation therapy (RT) techniques – forwardly-planned intensity-modulated, f-IMRT, inversely-planned IMRT and dynamic conformal arc (DCART) RT – and their effects on the whole-breast irradiation and in the undesirable irradiation of the surrounding healthy tissues. Two algorithms of iPlan BrainLAB treatment planning system were compared: Pencil Beam Convolution (PBC) and commercial Monte Carlo (iMC). Seven left-sided breast patients submitted to breast-conserving surgery were enrolled in the study. For each patient, four RT techniques – f-IMRT, IMRT using 2-fields and 5-fields (IMRT2 and IMRT5, respectively) and DCART – were applied. The dose distributions in the planned target volume (PTV) and the dose to the organs at risk (OAR) were compared analyzing dose–volume histograms; further statistical analysis was performed using IBM SPSS v20 software. For PBC, all techniques provided adequate coverage of the PTV. However, statistically significant dose differences were observed between the techniques, in the PTV, OAR and also in the pattern of dose distribution spreading into normal tissues. IMRT5 and DCART spread low doses into greater volumes of normal tissue, right breast, right lung and heart than tangential techniques. However, IMRT5 plans improved distributions for the PTV, exhibiting better conformity and homogeneity in target and reduced high dose percentages in ipsilateral OAR. DCART did not present advantages over any of the techniques investigated. Differences were also found comparing the calculation algorithms: PBC estimated higher doses for the PTV, ipsilateral lung and heart than the iMC algorithm predicted.

Dependent component analysis: a hyperspectral unmixing algorithm

Linear unmixing decomposes a hyperspectral image into a collection of reflectance spectra of the materials present in the scene, called endmember signatures, and the corresponding abundance fractions at each pixel in a spatial area of interest. This paper introduces a new unmixing method, called Dependent Component Analysis (DECA), which overcomes the limitations of unmixing methods based on Independent Component Analysis (ICA) and on geometrical properties of hyperspectral data. DECA models the abundance fractions as mixtures of Dirichlet densities, thus enforcing the constraints on abundance fractions imposed by the acquisition process, namely non-negativity and constant sum. The mixing matrix is inferred by a generalized expectation-maximization (GEM) type algorithm. The performance of the method is illustrated using simulated and real data.