Microwave imaging of the axilla to aid breast cancer diagnosis

Breast cancer is the most common type of cancer among women all over the world. An important issue that is not commonly addressed in breast cancer imaging literature is the importance of imaging the underarm region—where up to 80% of breast cancer cells can metastasise to. The first axillary lymph nodes to receive drainage from the primary tumour in the breast are called Sentinel Node. If cancer cells are found in the Sentinel Node, there is an increased risk of metastatic breast cancer which makes this evaluation crucial to decide what follow-up exams and therapy to follow. However, non-invasive detection of cancer cells in the lymph nodes is often inconclusive, leading to the surgical removal of too many nodes which causes adverse side-effects for patients. Microwave Imaging is one of the most promising non-invasive imaging modalities for breast cancer early screening and monitoring. This novel study tests the feasibility of imaging the axilla region by means of the simulation of an Ultra-Wideband Microwave Imaging system. Simulations of such system are completed in several 2D underarm models that mimic the axilla. Initial imaging results are obtained by means of processing the simulated backscattered signals by eliminating artefacts caused by the skin and beamforming the processed signals in order to time-align all the signals recorded at each antenna. In this dissertation several image formation algorithms are implemented and compared by visual inspection of the resulting images and through a range of performance metrics, such as Signal-to-Clutter Ratio and FullWidth Half Maximum calculations. The results in this study showed that Microwave Imaging is a promising technique that might allow to identify the presence and location of metastasised cancer cells in axillary lymph nodes, enabling the non-invasive evaluation of breast cancer staging.

Application of NMR RDC’s, relaxation and self-diffusion for the study of dynamic processes of small molecules in solution

Spin-lattice Relaxation, self-Diffusion coefficients and Residual Dipolar Couplings (RDC’s) are the basis of well established Nuclear Magnetic Resonance techniques for the physicochemical study of small molecules (typically organic compounds and natural products with MW < 1000 Da), as they proved to be a powerful and complementary source of information about structural dynamic processes in solution. The work developed in this thesis consists in the application of the earlier-mentioned NMR techniques to explore, analyze and systematize patterns of the molecular dynamic behavior of selected small molecules in particular experimental conditions. Two systems were chosen to investigate molecular dynamic behavior by these techniques: the dynamics of ion-pair formation and ion interaction in ionic liquids (IL) and the dynamics of molecular reorientation when molecules are placed in oriented phases (alignment media). The application of NMR spin-lattice relaxation and self-diffusion measurements was applied to study the rotational and translational molecular dynamics of the IL: 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate [BMIM][BF4]. The study of the cation-anion dynamics in neat and IL-water mixtures was systematically investigated by a combination of multinuclear NMR relaxation techniques with diffusion data (using by H1, C13 and F19 NMR spectroscopy). Spin-lattice relaxation time (T1), self-diffusion coefficients and nuclear Overhauser effect experiments were combined to determine the conditions that favor the formation of long lived [BMIM][BF4] ion-pairs in water. For this purpose and using the self-diffusion coefficients of cation and anion as a probe, different IL-water compositions were screened (from neat IL to infinite dilution) to find the conditions where both cation and anion present equal diffusion coefficients (8% water fraction at 25 ºC). This condition as well as the neat IL and the infinite dilution were then further studied by 13C NMR relaxation in order to determine correlation times (c) for the molecular reorientational motion using a mathematical iterative procedure and experimental data obtained in a temperature range between 273 and 353 K. The behavior of self-diffusion and relaxation data obtained in our experiments point at the combining parameters of molar fraction 8 % and temperature 298 K as the most favorable condition for the formation of long lived ion-pairs. When molecules are subjected to soft anisotropic motion by being placed in some special media, Residual Dipolar Couplings (RDCs), can be measured, because of the partial alignment induced by this media. RDCs are emerging as a powerful routine tool employed in conformational analysis, as it complements and even outperforms the approaches based on the classical NMR NOE or J3 couplings. In this work, three different alignment media have been characterized and evaluated in terms of integrity using 2H and 1H 1D-NMR spectroscopy, namely the stretched and compressed gel PMMA, and the lyotropic liquid crystals CpCl/n-hexanol/brine and cromolyn/water. The influence that different media and degrees of alignment have on the dynamic properties of several molecules was explored. Different sized sugars were used and their self-diffusion was determined as well as conformation features using RDCs. The results obtained indicate that no influence is felt by the small molecules diffusion and conformational features studied within the alignment degree range studied, which was the 3, 5 and 6 % CpCl/n-hexanol/brine for diffusion, and 5 and 7.5 % CpCl/n-hexanol/brine for conformation. It was also possible to determine that the small molecules diffusion verified in the alignment media presented close values to the ones observed in water, reinforcing the idea of no conditioning of molecular properties in such media.

Estimação da permeabilidade em reservatórios fraturados - Comparação entre o método do tensor e o método de upscaling

A simulação dinâmica de reservatórios de petróleo requer a alocação de permeabilidades equivalentes para todos os blocos. A determinação da permeabilidade equivalente em reservatórios fraturados é uma questão complexa e crítica no fluxograma de modelação, porque é totalmente dependente da geometria 3D sistema de fraturas, e respetivas aberturas, que muitas vezes são mal conhecidos. Para avaliar a permeabilidade equivalente de blocos fraturados, o método do tensor ou de Oda é um dos mais utilizados. É expedito e eficiente mesmo para a sistemas com vários milhões de fraturas. Todavia, na literatura são apontadas algumas críticas, por exemplo, sobrestima a permeabilidade em blocos pouco fraturados e subestima-a em blocos muito fraturados. Este trabalho tem como objetivos, revisitar a problemática da caracterização da permeabilidade equivalente em blocos de reservatórios fraturados. Recorreu-se a um pacote de programas informáticos FROM3D-K (fractures object model – permeability evaluation) desenvolvidos e/ ou adaptados no contexto deste trabalho e que permitem as funcionalidades: (1) simulação estocástica 3D de fraturas; (2) determinação da permeabilidade equivalente pelo método do tensor; (3) determinação da permeabilidade equivalente pelo método de upscaling de microblocos. Estas funções permitem que a mesma rede de fraturas seja avaliada pelos dois métodos. Para a demonstração de resultados mostram-se dois exemplos, o primeiro onde são simuladas fraturas condicionadas a estatísticas sintéticas de orientação, intensidade e abertura e o segundo onde se utilizam dados FMI de poço de um reservatório fraturado.

Estudo da variabilidade dos parâmetros derivados do tensor de difusão na doença de Parkinson e no tremor essencial

A Doença de Parkinson (PD) e o Tremor Essencial (ET) são duas doenças neurológicas, crónicas e progressivas. Mundialmente, estima-se que a PD afete cerca de 1% da populaçãom com mais de 65 anos e que o ET afete até 5% da população com mais de 40 anos. A PD é o principal diagnóstico diferencial do ET, sendo que o diagnóstico se baseia em critérios clínicos cuja sensibilidade e especificidade em fase precoce da doença pode ser baixa. Como tal, é necessário descobrir biomarcadores que auxiliem o diagnóstico destas doenças e a sua diferenciação. Com recurso à técnica de imagem de RM com tensores de difusão (DTI) e à análise com regiões de interesse, este estudo teve como principal objetivo avaliar se os valores de anisotropia fracional (FA) e de difusibilidade média (MD) medidos em 11 regiões neuroanatómicas, podem ser biomarcadores precoces da PD e do ET. Teve também como objetivos estudar a reprodutibilidade destas medições, a sua evolução no espaço de 1 ano e se nos doentes com diagnóstico inicial de PD esses valores eram influenciados pela medicação anti-parkinsónica. Como resultado deste estudo foram encontradas alterações nos valores de FA ao nível do pedúnculo cerebeloso médio e nos valores de MD ao nível do núcleo lenticular (NL), pedúnculo cerebeloso superior e núcleo dentado. Foi também verificado que na substantia nigra, núcleo caudado e NL, os valores de FA e MD são satisfatoriamente reprodutíveis, não se alteram com o início da medicação anti-parkinsónica e que de uma forma geral não variam significativamente no espaço de 1 ano. Estes resultados comprovam que os valores de FA e MD medidos nas referidas regiões neuroanatómicas podem constituir potenciais biomarcadores que auxiliem os clínicos no diagnóstico precoce e diferencial da PD e do ET, bem como na monitorização da progressão destas doenças.

Numerical prediction of diffusion and electric field-induced iron nanoparticle transport

Zero valent iron nanoparticles (nZVI) are considered very promising for the remediation of contaminated soils and groundwaters. However, an important issue related to their limited mobility remains unsolved. Direct current can be used to enhance the nanoparticles transport, based on the same principles of electrokinetic remediation. In this work, a generalized physicochemical model was developed and solved numerically to describe the nZVI transport through porous media under electric field, and with different electrolytes (with different ionic strengths). The model consists of the Nernst–Planck coupled system of equations, which accounts for the mass balance of ionic species in a fluid medium, when both the diffusion and electromigration of the ions are considered. The diffusion and electrophoretic transport of the negatively charged nZVI particles were also considered in the system. The contribution of electroosmotic flow to the overall mass transport was included in the model for all cases. The nZVI effective mobility values in the porous medium are very low (10−7–10−4 cm2 V−1 s−1), due to the counterbalance between the positive electroosmotic flow and the electrophoretic transport of the negatively charged nanoparticles. The higher the nZVI concentration is in the matrix, the higher the aggregation; therefore, low concentration of nZVI suspensions must be used for successful field application.

Alinhamento e continuação de volumes de imagem de tensor de difusão da perna

A imagem por tensor difusão (DTI) é uma extensão da imagem por ressonância magnética que permite a caraterização microestrutural dos tecidos, sendo um destes, os músculos esqueléticos. No entanto, dadas as grandes dimensões dos mesmos, a aquisição de volumes DTI deste tipo de tecidos é comumente realizada em mais que uma sessão. A não linearidade dos gradientes de codificação espacial e a presença de magnetizações parasitas levam a que ocorram distorções que impossibilitam, quando unidos, a continuação de volumes na sua transição. No mercado já existem sotwares que permitem estas correções, no entanto, o seu objetivo tem como fim estudos populacionais aplicados na neurologia, não estando preparados para o alinhamento e união de volumes contíguos. Ao recorrer a algoritmos aplicados nestes softwares, com a devida preparação, é possível garantir a continuidade de volumes. Um desses algoritmos, demons, foi aplicado em pontos de sobreposição de imagens de volumes contíguos. A transformada resultante deste algoritmo foi aplicado ao volume considerado a transformar e unido ao volume de referência. Mostra-se ser possível a aplicação destes algoritmos para a continuação de volumes, sendo observada a preservação da coerência anatómica das fibras quando comparadas aos grupos de controlo. Numa versão futura, recomenda-se a utilização de algoritmos mais robustos, que tomam partido da informação direcional que a imagem por tensor de difusão fornece.