A comparison between digital breast tomosynthesis and mammography: dosimetric and image quality characterization of clinical system

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Utilidade da tomografia computorizada cardíaca na avaliação da doença coronária

RESUMO: Apesar de toda a evolução farmacológica e de meios complementares de diagnóstico possível nos últimos anos, o enfarte agudo do miocárdio e a morte súbita continuam a ser a primeira manifestação da aterosclerose coronária para muitos doentes, que estavam previamente assintomáticos. Os exames complementares de diagnóstico tradicionalmente usados para avaliar a presença de doença coronária, baseiam‐se na documentação de isquémia do miocárdio e por este motivo a sua positividade depende da presença de lesões coronárias obstrutivas. As lesões coronárias não obstrutivas estão também frequentemente implicadas no desenvolvimento de eventos coronários. Apesar de o risco absoluto de instabilização por placa ser superior para as lesões mais volumosas e obstrutivas, estas são menos prevalentes do que as placas não obstrutivas e assim, por questões probabilísticas, os eventos coronários resultam com frequência da rotura ou erosão destas últimas. Estudos recentes de imagiologia intracoronária avançada forneceram evidência de que apesar de ser possível identificar algumas características de vulnerabilidade em placas associadas ao desenvolvimento subsequente de eventos coronários, a sua sensibilidade e especificidade é muito baixa para aplicação clínica. Mais do que o risco associado a uma placa em particular, para o doente poderá ser mais importante o risco global da sua árvore coronária reflexo da soma das probabilidade de todas as suas lesões, sendo que quanto maior for a carga aterosclerótica maior será o seu risco. A angio TC cardíaca é a mais recente técnica de imagem não invasiva para o estudo da doença coronária e surgiu nos últimos anos fruto de importantes avanços na tecnologia de TC multidetectores. Estes avanços, permitiram uma progressiva melhoria da resolução espacial e temporal, contribuindo para a melhoria da qualidade dos exames, bem como uma significativa redução da dose de radiação. A par desta evolução tecnológica, foi aumentando a experiência e gerada mais evidência científica, tornando a angio TC cardíaca cada vez mais robusta na avaliação da doença coronária e aumentando a sua aplicabilidade clínica. Mais recentemente apareceram vários trabalhos que validaram o seu valor prognóstico, assinalando a sua chegada à idade adulta. Para além de permitir excluir a presença de doença coronária e de identificar a presença de estenoses significativas, a angio TC cardíaca permite identificar a presença de lesões coronárias não obstrutivas, característica impar desta técnica como modalidade de imagem não invasiva. Ao permitir identificar a totalidade das lesões ateroscleróticas (obstrutivas e não obstrutivas), a 18 angio TC cardíaca poderá fornecer uma quantificação da carga aterosclerótica coronária total, podendo essa identificação ser útil na estratificação dos indivíduos em risco de eventos coronários. Neste trabalho foi possível identificar preditores demográficos e clínicos de uma elevada carga aterosclerótica coronária documentada pela angioTC cardíaca, embora o seu poder discriminativo tenha sido relativamente modesto, mesmo quando agrupados em scores clínicos. Entre os vários scores, o desempenho foi um pouco melhor para o score de risco cardiovascular Heartscore. Estas limitações espelham a dificuldade de prever apenas com base em variáveis clínicas, mesmo quando agrupadas em scores, a presença e extensão da doença coronária. Um dos factores de risco clássicos, a obesidade, parece ter uma relação paradoxal com a carga aterosclerótica, o que pode justificar algumas limitações da estimativa com base em scores clínicos. A diabetes mellitus, por outro lado, foi um dos preditores clínicos mais importantes, funcionando como modelo de doença coronária mais avançada, útil para avaliar o desempenho dos diferentes índices de carga aterosclerótica. Dada a elevada prevalência de placas ateroscleróticas identificáveis por angio TC na árvore coronária, torna-‐se importante desenvolver ferramentas que permitam quantificar a carga aterosclerótica e assim identificar os indivíduos que poderão eventualmente beneficiar de medidas de prevenção mais intensivas. Com este objectivo, foi desenvolvido um índice de carga aterosclerótica que reúne a informação global acerca da localização, do grau de estenose e do tipo de placa, obtida pela angio TC cardíaca, o CT--‐LeSc. Este score poderá vir a ser uma ferramenta útil para quantificação da carga aterosclerótica coronária, sendo de esperar que possa traduzir a informação prognóstica da angio TC cardíaca. Por fim, o conceito de árvore coronária vulnerável poderá ser mais importante do que o da placa vulnerável e a sua identificação pela angio TC cardíaca poderá ser importante numa estratégia de prevenção mais avançada. Esta poderá permitir personalizar as medidas de prevenção primária, doseando melhor a sua intensidade em função da carga aterosclerótica, podendo esta vir a constituir uma das mais importantes indicações da angio TC cardíaca no futuro.---------------- ABSTRACT Despite the significant advances made possible in recent years in the field of pharmacology and diagnostic tests, acute yocardial infarction and sudden cardiac death remain the first manifestation of coronary atherosclerosis in a significant proportion of patients, as many were previously asymptomatic. Traditionally, the diagnostic exams employed for the evaluation of possible coronary artery disease are based on the documentation of myocardial ischemia and, in this way, they are linked to the presence of obstructive coronary stenosis. Nonobstructive coronary lesions are also frequently involved in the development of coronary events. Although the absolute risk of becoming unstable per plaque is higher for more obstructive and higher burden plaques, these are much less frequent than nonobstructive lesions and therefore, in terms of probability for the patient, coronary events are often the result of rupture or erosion of the latter ones. Recent advanced intracoronary imaging studies provided evidence that although it is possible to identify some features of vulnerability in plaques associated with subsequente development of coronary events, the sensitivity and sensibility are very limited for clinical application. More important than the individual risk associated with a certain plaque, for the patient it might be more important the global risk of the total coronary tree, as reflected by the sum of the diferent probabilities of all the lesions, since the higher the coronary Atherosclerotic burden, the higher the risk for the patient. Cardiac CT or Coronary CT angiography is still a young modality. It is the most recente noninvasive imaging modality in the study of coronary artery disease and its development was possible due to important advances in multidetector CT technology. These allowed significant improvements in temporal and spatial resolution, leading to better image quality and also some impressive reductions in radiation dose. At the same time, the increasing experience with this technique lead to a growing body of scientific evidence, making cardiac CT a robust imaging tool for the evaluation of coronary artery disease and increased its clinical indications. More recently, several publications documented its prognostic value, marking the transition of cardiac CT to adulthood. Besides being able to exclude the presence of coronary artery disease and of obstructive lesions, Cardiac CT allows also the identification of nonobstructive lesions, making this a unique tool in the field of noninvasive imaging modalities. By evaluating both obstructive and nonobstructive lesions, cardiac CT can provide for the quantification of total coronary atherosclerotic burden, and this can be useful to stratify the risk of future coronary events. In the present work, it was possible to identify significant demographic and clinical predictors of a high coronary atherosclerotic burden as assessed by cardiac CT, but with modest odds ratios, even when the individual variables were gathered in clinical scores. Among these diferent clinical scores, the performance was better for the Heartscore, a cardiovascular risk score. This modest performance underline the limitations on predicting the presence and severity of coronary disease based only on clinical variables, even when optimized together in risk scores, One of the classical risk factors, obesity, had in fact a paradoxical relation with coronary atherosclerotic burden and might explain some of the limitations of the clinical models. On the opposite, diabetes mellitus was one of the strongest clinical predictors, and was considered to be a model of more advanced coronary disease, useful to evaluate the performance of diferent plaque burden scores. In face of the high prevalence of plaques that can be identified in the coronary tree of patients undergoing cardiac CT, it is of utmost importance to develop tools to quantify the total coronary atherosclerotic burden providing the identification of patients that could eventually benefit from more intensive preventive measures. This was the rational for the development of a coronary atherosclerotic burden score, reflecting the comprehensive information on localization, degree of stenosis and plaque composition provided by cardiac CT – the CT-LeSc. This score may become a useful tool to quantify total coronary atherosclerotic burden and is expected to convey the strong prognostic information of cardiac CT. Lastly, the concept of vulnerable coronary tree might become more important than the concept of the vulnerable plaque and his assessment by cardiac CT Might become important in a more advance primary prevention strategy. This Could lead to a more custom-made primary prevention, tailoring the intensity of preventive measures to the atherosclerotic burden and this might become one of the most important indications of cardiac CT In the near future.

Dose de radiação e risco para a saúde em doentes com Linfoma não-Hodgkin submetidos a estudos de TC

RESUMO - A exposição a radiações ionizantes em tomografia computorizada (TC) pode constituir-se como um risco para a saúde dos utentes. A TC é utilizada no diagnóstico e follow-up de doentes com Linfoma não-Hodgkin, subtipo Linfoma Difuso das Grandes Células B (LDGCB). O objetivo deste estudo foi determinar a dose efetiva acumulada e o risco de segundas neoplasias nestes doentes, diagnosticados em 2011 no IPOLFG e seguidos na consulta de hematologia até 2013. Foram avaliados retrospetivamente 70 doentes com base nos registos de dose do “Patient Protocol” das TC efetuadas. Em média cada doente fez 12 TC e a dose efetiva acumulada foi de 64,76 mSv (percentil 75). Três doentes foram expostos a doses de radiação superiores 90 mSv e um atingiu 111,72 mSv. Os resultados demonstram ser necessário rever os parâmetros e protocolos de exames de TC: (i) TC crânio (DLP= 777 mGycm) e TC abdominal-pélvico (DLP= 628 mGycm). O aumento do número de exames de TC efetuados e a consequente dose parece corresponder a um aumento do risco de segundas neoplasias e risco de morte por doenças neoplásicas durante a vida destes doentes. Os resultados são aparentemente mais significativos para as mulheres, que apresentam o dobro do risco de cancro do pulmão e risco de mortalidade superior em 14% para todas as doenças neoplásicas. O elevado número de exames de TC realizados por cada doente contribui para o aumento da probabilidade de efeitos deletérios e também para o aumento dos níveis de dose efetiva coletiva na população em geral.

Sensitivity correction of images obtained with the prototype Clear-PEM in pre-clinical environment

Dissertation presented at Faculdade de Ciências e Tecnologia Universidade Nova de Lisboa to obtain a Master Degree in Biomedical Engineering

Correction of spatial distortion in magnetic resonance imaging

Dissertation to Obtain the Degree of Master in Biomedical Engineering

Caracterização do feixe de radiação X num bloco operatório em cirurgia ortop

RESUMO - Na radiologia de intervenção, e concretamente em ortopedia, os raios X são intensamente utilizados permitindo a visualização de diversas técnicas de intervenção cirúrgica. Do ponto de vista médico as vantagens dessa prática são enormes, contudo, os profissionais de saúde envolvidos são susceptíveis de estarem expostos a valores de dose de radiação que significam a sua classificação como trabalhadores expostos. O presente estudo realizou-se num hospital e teve como objectivo obter uma estimativa das doses envolvidas em ortopedia de intervenção, utilizando várias metodologias experimentais para caracterização do campo de radiação primário e secundário. Observaram-se distintos níveis de dose de acordo com a zona anatómica exposta à radiação X: (i) gónadas — 0,02 a 3 mGy/h; (ii) cristalino — 0,06 a 1 mGy/h e (iii) mãos — 0,6 mGy/h. Tais resultados evidenciam uma clara necessidade de utilização de equipamentos de protecção e de vigilância dosimétrica pelos profissionais de saúde envolvidos no acto cirúrgico.--------------------------ABSTRACT - In intervention radiology, and more specifically in orthopaedics, X-rays are intensely used allowing the visualization of many acts of clinical intervention. From a clinical perspective, the advantages of that practice are significant; however, involved health care professionals are susceptible of being exposed to radiation dose values that mean their classification as exposed workers. The present study, performed in a hospital, aimed to obtain an estimation of the doses involved in intervention orthopaedics through several experimental methodologies in order to characterise the primary and the secondary radiation fields. Different levels of dose were observed according to the anatomic area exposed to X radiation: (i) gonads — 0.02 a 3 mGy/h; (ii) crystalline lens — 0.06 a 1 mGy/h e (iii) hands – 0.6 mGy/h. Such results denote a clear need of protection equipment use and of dosimetric surveillance by the health

ClearPhoto - augmented photography

The widespread use of mobile devices has made known to the general public new areas that were hitherto confined to specialized devices. In general, the smartphone came to give all users the ability to execute multiple tasks, and among them, take photographs using the integrated cameras. Although these devices are continuously receiving improved cameras, their manufacturers do not take advantage of their full potential, since the operating systems normally offer simple APIs and applications for shooting. Therefore, taking advantage of this environment for mobile devices, we find ourselves in the best scenario to develop applications that help the user obtaining a good result when shooting. In an attempt to provide a set of techniques and tools more applied to the task, this dissertation presents, as a contribution, a set of tools for mobile devices that provides information in real-time on the composition of the scene before capturing an image. Thus, the proposed solution gives support to a user while capturing a scene with a mobile device. The user will be able to receive multiple suggestions on the composition of the scene, which will be based on rules of photography or other useful tools for photographers. The tools include horizon detection and graphical visualization of the color palette presented on the scenario being photographed. These tools were evaluated regarding the mobile device implementation and how users assess their usefulness.

Exposição a radiações ionizantes em cirurgia ortopédica num hospital público de Lisboa.

RESUMO - A monitorização individual dos trabalhadores (dosimetria individual) é obrigatória (Decreto Regulamentar n.o 9/90, de 19 de Abril) para os profissionais de saúde que desempenham funções com risco de exposição à radiação X, quando classificados como categoria A. Apesar disso, a exposição a radiações ionizantes é frequentemente pouco, ou mesmo nada, valorizada pelos profissionais de saúde. O presente estudo, realizado no contexto de intervenções cirúrgicas de ortopedia, teve por objectivos: • avaliar a dose de radiação em diferentes zonas durante as cirurgias ortopédicas; • estimar a dose de exposição a radiações ionizantes dos profissionais de saúde, em função das suas posições, predominantemente adoptadas durante o acto cirúrgico; • sensibilizar os profissionais de saúde para a utilização correcta da dosimetria individual e para a adopção das medidas de protecção radiológica. A avaliação do risco foi efectuada através de: 1) medições preliminares com recurso a um fantoma colocado a 50 cm e a 100 cm do eixo central do feixe de radiação e em direcções de 45°, 90° e 135°; 2) medições durante uma cirurgia ortopédica em «localizações » correspondentes às gónadas, ao cristalino e às mãos dos profissionais de saúde intervenientes na cirurgia (ortopedistas, enfermeiros instrumentistas); 3) medições ao nível do topo da mesa (posição do anestesista) e ao nível do comando do equipamento emissor de raios X (técnico de radiologia); 4) determinação do tempo de utilização dos raios X durante as cirurgias ortopédicas; 5) cálculo da estimativa do número anual de cirurgias ortopédicas realizadas, com base nos registos existentes. Assumindo a não utilização de aventais plúmbeos os valores máximos medidos foram de 2,5 mSv/h (ao nível das gónadas), de 0,6 mSv/h ao nível do cristalino e de 1 mSv/ h ao nível das mãos dos ortopedistas e dos enfermeiros instrumentistas (que se situavam próximo do feixe de raios X, a 50 cm do feixe de radiação). A estimativa de exposição anual (dose equivalente) para os profissionais que operam junto ao feixe de radiação X foi de: • Ortopedistas — 20,63 a 68,75 mSv (gónadas), 4,95 a 16,50 mSv (cristalino) e 8,25 a 27,50 mSv (mãos); • Enfermeiros instrumentistas — 130,63 a 151,25 mSv (gónadas), 31,35 a 36,30 mSv (cristalino) e 52,25 a Os profissionais que ocupam posições mais afastadas do feixe (por exemplo: anestesistas) terão doses de radiação mais reduzidas, embora estas possam ainda ser importantes ao nível das gónadas na zona do topo da mesa (anestesista). Conclui-se que a exposição profissional em blocos operatórios pode implicar, em cirurgia ortopédica, a sujeição a níveis de exposição consideráveis, o que permite classificar estes profissionais de categoria A, justificando a utilização obrigatória (e correcta de acordo com as recomendações) da dosimetria individual e a adopção de medidas de protecção radiológica, tantas vezes negligenciadas.

Otimização da anisotropia fronto-calosa e ressonância magnética [1,5T] no idoso normal e com risco cérebro-vascular

RESUMO: Os mais recentes métodos de neuro imagem tal como a Ressonância Magnética (RM) permitiram obter imagens detalhadas do cérebro humano in vivo. Essas imagens revelam, muitas vezes, achados imprevistos face ao padrão normal, com elevada propensão para os indivíduos idosos e franca coexistência com fatores de risco vascular, como característica dum processo de envelhecimento normal. Embora na última década tenham surgido várias publicações sobre este assunto, ele continua ainda pouco explicado. Um pouco por todo o mundo têm emergido os programas de prevenção da doença e promoção da saúde desenvolvidos pela Saúde Pública suportadas sobretudo pelo avanço das tecnologias médicas que resultaram, entre outros impactos, num crescimento da população idosa. Estima-se, em 2030, uma composição demográfica com 20% de indivíduos acima dos 65 anos. Neste contexto, a doença microvascular cerebral é a causa mais frequente de comprometimento cognitivo vascular no idoso sendo as características senescentes na imagem por RM do tipo lesões isquémicas da Substância Branca (Leukoaraiosis) e enfartes lacunares (Status lacunar), atrofia cerebral, gliose e acumulação excessiva de ferro nos núcleos da base. Esta tese, considerando a linha de investigação de que deriva – Ciências da Vida - especialização em Medicina Clinica - Biotecnologia, reúne e reflete sobre três vertentes ligadas à RM e interdependentes em relação a uma problemática comum. A primeira trata da caracterização da Tecnologia por Ressonância Magnética existente em Portugal, a qual inclui uma avaliação exploratória da aplicação da técnica de Difusão Anisotrópica nos estudos cerebrais. As dimensões analíticas estudadas foram a Tecnológica, Sociodemográfica e Económica. Na recolha de dados recorreu-se a várias fontes de informação e a uma metodologia exploratória faseada, validada pela triangulação dos resultados. A sua análise obedeceu a critérios de estratificação e agrupamento segundo as mesmas dimensões analíticas. Otimização da anisotropia fronto-calosa e [RM 1,5T] no idoso normal e com risco cérebro-vascular A segunda descreve o estudo anátomo – radiológico que recaiu sobre parâmetros de quantificação assente na temática do cérebro do idoso em cadáver segundo uma metodologia experimental aplicada às métricas da difusão por RM. Na terceira, e última, é apresentado o estudo técnico - radiológico para avaliação e otimização da imagem ponderada em difusão em estudos clínicos associados ao cérebro do idoso “The Usual Brain Aging” ou Envelhecimento Cerebral Normal, com base metodológica assente nos critérios e indicadores estabelecidos pelo Estudo de Imagem de Roterdão (Rotterdam Scan Study - RSS). Como principais resultados obteve-se que não existem em Portugal estruturas para avaliação dos equipamentos pesados ou Agência de Avaliação das Tecnologias da Saúde para desenvolver o importante papel da produção de estudos comparativos entre os equipamentos disponíveis no mercado, a relação preço-qualidade e a sua afetação às necessidades clínico-epidemiológicas. Constatou-se que a implementação de equipamentos de RM está fortemente assente em critérios económicos carecendo de recomendações e diretivas para o uso racionalizado destas tecnologias. Quanto a dados quantitativos concluímos que a maioria dos equipamentos está instalada em instituições privadas (80,2%); a intensidade de campo magnético mais frequente é [1,5T] com 119 equipamentos; os equipamentos estão instalados maioritariamente nos distritos de Lisboa (55 unidades) e do Porto (39 unidades); o rácio médio de equipamentos por habitante em Portugal é de 1 para 65 195 habitantes; a amplitude de gradientes com maior expressão na amostra é 30-39mT/m; a maioria dos equipamentos foi instalada no intervalo temporal [2009-2012] com 59 equipamentos; apenas 6 instituições desenvolvem investigação clinica e a maioria das bobinas para estudos de crânio são do tipo Array. O estudo de otimização da técnica da difusão revelou, quanto à avaliação dos valoresb, que os mais baixos (b=500 s/mm2 e b=1000 s/mm2), apresentam maior IS e SNR sendo esta uma boa medida referente à qualidade de imagem, no entanto, os valores-b mais elevados (b=2000 s/mm2) apresentam maior CNR e CR, face aos anteriores, o Otimização da anisotropia fronto-calosa e [RM 1,5T] no idoso normal e com risco cérebro-vascular que apesar de proporcionar inferior detalhe anatómico e consequentemente inferior qualidade de imagem, num encéfalo normal, pode auxiliar na interpretação e apresentar vantagens na identificação de lesões microvasculares sempre que persistirem dúvidas em relação ao diagnóstico diferencial de doença microvascular do tipo status lacunar ou Hiperintensidades da Substância Branca. As alterações deste parâmetro são particularmente refletidas nas diferenças da avaliação da qualidade de imagem na região fronto-calos Concluímos da avaliação quantitativa da concentração média de ferro (26Fe) em todas as faixas etárias que os núcleos da base que apresentam maior concentração são, por ordem decrescente: Substância Nigra, Globus Pallidus, Putamen, Tálamo, Núcleo Rubro e Núcleo Caudado; que existe uma predominância na concentração de ferro (26Fe) no hemisfério esquerdo e que os indivíduos do género masculino apresentam mais ferro (26Fe) que os do género feminino nas faixas etárias [30-40[, [40-50[ e [50-60[. Como principal conclusão do estudo da concentração média de ferro em relação à idade destacamos que a concentração média de ferro (26Fe) é superior nos grupos etários superiores, logo aumenta com a idade, sobretudo na Substância Nigra e no Núcleo Lenticular. No estudo técnico-radiológico encontrámos evidências do aumento da difusibilidade da água na substância branca subcortical dos sujeitos idosos comparativamente aos mais jovens. Uma relação idêntica foi avaliada nos tálamos. O aumento relacionado com a idade parece ser predominantemente observado em doentes com mais de 65 anos de idade o que pode refletir alterações estruturais ligeiras associados ao envelhecimento normal. Os resultados indicam que a análise quantitativa das imagens ponderadas em difusão fornece informações, sobre a estrutura do cérebro, as quai s não estão disponíveis apenas por inspeção visual, tanto nas imagens ponderadas em difusão como em outras sequências de aplicação clínica de rotina. Para fazer face às desvantagens dos sistemas de quantificação das HSB os quais são dispendiosos, complexos, requererem tecnologia e formação específicas, recomendamos que a aplicação automatizada GUIAL, desenvolvida ao longo do nosso trabalho é de utilização elementar e prática para que seja introduzida nos sistemas de aquisição de imagem por RM com o fim de integrar o processamento de imagem nos indivíduos portadores de fatores de risco vascular. A avaliação do ADC, nesta amostra, permitiu concluir que a variação desta variável é explicada estatisticamente pela existência da condição clínica de status lacunar em ambos os hemisférios ou por outras palavras, o status lacunar influencia o valor de ADC. Embora uma pequena percentagem da variação do ADC seja explicada pelo género, o ADC nos homens foi superior ao das mulheres o que não nos surpreende, pois são também os homens onde a frequência de doença microvascular se revelou mais expressiva. Os valores do ADC, globalmente, entre os hemisférios cerebrais não mostraram alterações exceto na SB entre os idosos e não idosos. A SB da região frontal mostrou valores diminuídos na anisotropia e isotropia face às restantes áreas anatómicas. Os estudos indicam que na idade avançada existe uma maior predisposição para suscetibilidades de estrutura com status de desconexão. A classificação das HSB foi superior em indivíduos mais velhos e com status lacunar, e em menor quantidade (inferior rating de classificação) nos indivíduos idosos sem status lacunar. As alterações volumétricas foram mais frequentes no homem do que na mulher, presumivelmente devido à associação com a elevada classificação de status lacunar. Um aumento do índice de Evan correspondeu, neste estudo, ao aumento das HSB, à diminuição do volume cerebral total, à expansão ventrículo-sulcal frontal e ao aumento da medida do ângulo caloso. Estes resultados foram agravados pela classificação elevada de status lacunar nos indivíduos que apresentaram indícios de doença de pequenos vasos, com manifesto aumento dos espaços de Virchow-Robin,enfartes lacunares ou HSB. Esses resultados foram mais expressivos no género masculino do que no feminino revelando uma maior vulnerabilidade sobretudo na atrofia frontal nos homens. Por sua vez as dimensões do Corpo Caloso tornaram-se reduzidas devido à compressão dos ventrículos laterais e terceiro ventrículo. Estes indicadores tiveram expressão particularmente nos indivíduos com mais de 65 anos. ---------------------------------------------------------------------------------------------ABSTRACT: The latest neuroimaging methods, such as Magnetic Resonance Imaging (MRI), have enabled detailed images of in vivo human brain. These images reveal often unexpected findings related to the normal pattern, with high predisposition for the elderly people with forthright coexistence with vascular risk factors such as characteristics of a normal aging process. Although it has been, in the last decade, several publications on this subject, it is still little explained. All over the world have emerged disease prevention programs and health promotion developed by the Public Health sector, supported mainly by the advancement of medical technologies that have resulted, among other impacts, in a growing of the elderly population. It is estimated, in 2030, a demographic composition with 20% o people over 65 years. In this context, microvascular disease is the most common cause of cognitive vascular impairment in the elderly and senescent characteristics in the MRI trough ischemic lesions of the white matter (Leukoaraiosis) and lacunar infarcts (lacunar status), cerebral atrophy, gliosis and iron accumulation in the basal ganglia in excess.This thesis, considering the research line that stems - Life Sciences - specialization in Clinical Medicine, Biotechnology, gathers and reflects on three aspects linked to MR, interdependent and related to a common problem. The first deals with the Magnetic Resonance Technology characterization in Portugal, which includes an exploratory evaluation of the implementation of Anisotropic Diffusion technique in brain studies. The analytical dimensions studied were the Technologic, Socio-demographic and Economics. Collecting data was supported by different sources of information and was applied an exploratory methodology whose results were validated by triangulation. The research method was grouped and stratified criteria under the same analytical dimensions. The second describes the anatomical study - which was focused on radiological measurement parameters, based on the brain’s specimen under an experimental methodology applied to MRI diffusion metrics. Radiological evaluation and optimization of the weighted image diffusion in clinical studies were associated with the brain of the elderly "The Usual Brain Aging" with methodological basis based on established criteria and indicators by Rotterdam Scan Study (RSS). The main results obtained reveal the inexistence frameworks in Portugal for evaluation of equipments or Agency of Health Technology to produce studies comparing the equipment available on the market, the value for money and its allocation to clinical and epidemiological needs. It was found that the implementation of MRI equipment is strongly based on economic criteria lacking recommendations and guidelines for the rationalized use of these technologies. As the quantitative data we conclude that most of the scanners are located in private clinical institutions (80,2%); the most frequent magnetic field intensity is [1.5T] with 119 scanners; the scanners are mainly installed in Lisbon (55 units) and Porto (39 units) districts; the average ratio of equipment per capita in Portugal is 1 to 65 195 people; the gradient power with higher expression in the sample is 30-39mT / m;most of the scanners were installed in the years range [2009-2012 years] with 59 equipment; only 6 clinical placements develop clinical research and the most coils for brain studies are of Array type. The optimization study of diffusion technique revealed, as the assessment of the bvalues, the lower (b = 500 s / mm2 and b = 1000 s / mm 2), promotes an increase in the SI and SNR being this measure related to a higher image quality, however the highest b values (b = 2000 s / mm 2) have a higher CNR (Contrast to Noise-Ratio) and CR (Contrast Ratio), compared to the previous ones. This may provide less anatomical details and, thus, ower image quality, of a normal brain, however can help the interpretation and have advantages in identifying microvascular injuries when doubts persist regarding the differential diagnosis of microvascular disease of lacunar or WMH (White Matter Hyperintensities) status type. Changes on this parameter are Otimização da anisotropia fronto-calosa e [RM 1,5T] no idoso normal e com risco cérebro-vascular particularly reflected in the differences of image quality evaluation in the frontocallosum anatomical area. We conclude from the quantitative assessment of the average concentration of iron (26Fe), in all age groups to the basal ganglia, that the higher concentrations are, in descending order: Nigral Substantia, Globus pallidus, Putamen, Thalamus, Rubio nucleus and Caudate nucleus; that there is a predominance in the concentration of iron (26Fe) in the left hemisphere and that male gender show higher iron (26Fe) level tha females, in the age groups [30-40 [[40-50 [and [50- 60 [. Regarding a main conclusion of the mean concentration study of iron, in terms of age we point out that the average concentration of iron (26Fe) is higher among older groups and increases with age, especially in Nigral Substantia and Lenticular Nucleus. On the technical and radiological study we found evidence of an increased in water /diffusivity in the ubcortical white matter of the elderly compared with younger subjects. A similar relationship was assessed in the Thalamus. The increase agerelated seems to be predominantly observed in patients over 65 years which may reflect minor structural changes associated with normal aging. The results indicate that quantitative analysis of diffusion weighted imaging can provide information about the structure of the brain which is not reached only by visual inspection or standard sequences applied in clinical routine. To address the disadvantages the systems of quantification of WMH which the authors state that are costly, complex, require specific technology and training, we recommend that the automated application GUIAL, developed over our work is basic and practical to use and to be introduced in MR image systems acquisition in order to integrate image processing in patients with vascular risk factors. The evaluation of the ADC showed that its variation is statistically explained by the existence of the medical condition of lacunar status, in both hemispheres, or in other words, the lacunar status influences the ADC value. Although a small percentage of the ADC variation is explained by gender, the ADC in men was higher than women which Otimização da anisotropia fronto-calosa e [RM 1,5T] no idoso normal e com risco cérebro-vascular do not surprise us, since they are also men where the frequency of microvasculardisease has proved more significant. The values of ADC, overall, between the cerebral hemispheres showed no changes but were different in WM among the elderly and non-elderly subjects.The WM's forehead showed decreased values in anisotropy and isotropy face the other anatomical areas. The studies indicate that in old age there is a greater tendency to higher susceptibility to disconnection- status framework. The classification of WMH was higher in elderly people and lacunar status, and fewer (lower classification rating) in the elderly without lacunar status. volumetric changes were more frequent in men than in women, most probably because of its association with high lacunar status rating. An increase of Evan index corresponded, in this study, to an increase in WMH, to a decreased of total brain volume, to a ventricle sulcal frontal and callous angle expansion. These results were wound up by high ranking of lacunar status in subjects who had small vessel disease, clear increase in spaces of Virchow-Robin, lacunar infarctions or WMH. These results were more significant in males than in females revealing vulnerability particularly in the frontal atrophy in men. In turn the size of Corpus Callosum because reduced due to the compression of the lateral and third ventricles. These indicators had expression particularly in individuals over 65 years.

Protecção radiológica do doente em tomografia computorizada

RESUMO - A preocupação com os conhecimentos, atitudes, crenças e práticas, no que concerne à utilização de radiações ionizantes para fins de diagnóstico, e a sensibilização de todos os agentes envolvidos, médicos, técnicos, físicos, utentes e responsáveis pela Saúde Publica, relativamente aos níveis de radiação emitida nos exames de Tomografia Computorizada (TC), assume particular importância no domínio da Saúde Pública, na medida em que é necessário influenciar o desenvolvimento de práticas que promovam, auditem e garantam a prestação do controlo da qualidade radiológica e dosimétrica nos serviços de Radiologia a nível Nacional. Para tal, e no âmbito da publicação de estudos já realizados ao nível da União Europeia, ―Orientações Europeias dos Critérios de Qualidade para a Tomografia Computorizada (1999) ‖, é proposto estabelecer orientações na realização de estudos que permitam, numa primeira fase, estabelecer a comparação com os resultados obtidos pelos mecanismos de Controlo da Qualidade (CQ), analisar e proceder aos ajustes (se necessário) e, numa segunda fase, implementar uma moldura sistemática de avaliação periódica dos níveis de dose de radiação por exame TC e que permita a monitorização dos dados. Nesse sentido, propõe-se a realização de um Estudo Nacional que envolva a rede hospitalar pública, privada e universitária, partindo da metodologia utilizada em estudos prévios noutros países da Europa, como seja, selecção do equipamento de TC existente na Instituição Hospitalar, onde serão reunidas informações através do preenchimento de questionários relativos ao equipamento a utilizar. Serão recolhidos dados relativos ao utente, ao equipamento e parâmetros de aquisição de imagem, que permitam identificar os níveis de referência de diagnóstico (NRD) em TC, na realidade Portuguesa. Foi efectuado um estudo piloto numa instituição EPE e os valores obtidos não são significativos, nem podem assumir valor preditivo dado o reduzido tamanho da amostra. Apesar disso, sugerem a existência de parâmetros que podem ser alterados e com isso podem fazer variar a dose de radiação utilizada. ENSP/UNL Maria de Fátima Vaz de Carvalho 5 Espera-se obter com este estudo, como foi referido, a base do estabelecimento dos NRD em TC em Portugal. ----------------- ABSTRACT - The purpose of this study, in an empirical point of view, emerges from concern with the knowledge, attitudes, beliefs and practices regarding the use of ionizing radiation for diagnostic purposes and awareness of all actors involved, medical physical, technical, and responsible public health for the development of practices that promote, audited and ensure the provision of radiological quality control and dosing in radiology service at national level. In view of the complexity and characteristics involved in relation to ionizing radiation, all assume their part in protecting the physical integrity of each user and a global perspective, to ensure the safeguarding of public health, while global and globalizing factor. To this end, and in the context of the publication of studies already carried out at European Union level, "European guidelines for quality criteria for computed tomography", it is proposed to establish guidelines in conducting studies to initially establish the comparison with the results obtained by QC and make adjustments if necessary, and subsequently implement a systematic periodic assessment frame that allows monitoring of data. Accordingly, it is proposed to conduct a national study involving the public network, private and University hospitals, that extends from the methodology used in previous studies in other countries of Europe, as is, selection of equipment of existing CT in Hospital Institution, where information will be gathered by filling out questionnaires concerning the equipment to be used. Data will be collected for the wearer, equipment and parameters of image acquisition, identifying diagnostic reference levels (NRD) in CT in Portuguese fact. A pilot study was carried out in an institution EPE and the values obtained are not significant, nor can they take predictive value given the small sample size. Despite this, suggest the existence of parameters that can be changed and this can vary the dose of radiation used It is hoped to get with this study, as mentioned, the basis of the establishment of NRD in CT in Portugal.

Optimization of breast tomosynthesis image reconstruction using parallel computing

Breast cancer is the most common cancer among women, being a major public health problem. Worldwide, X-ray mammography is the current gold-standard for medical imaging of breast cancer. However, it has associated some well-known limitations. The false-negative rates, up to 66% in symptomatic women, and the false-positive rates, up to 60%, are a continued source of concern and debate. These drawbacks prompt the development of other imaging techniques for breast cancer detection, in which Digital Breast Tomosynthesis (DBT) is included. DBT is a 3D radiographic technique that reduces the obscuring effect of tissue overlap and appears to address both issues of false-negative and false-positive rates. The 3D images in DBT are only achieved through image reconstruction methods. These methods play an important role in a clinical setting since there is a need to implement a reconstruction process that is both accurate and fast. This dissertation deals with the optimization of iterative algorithms, with parallel computing through an implementation on Graphics Processing Units (GPUs) to make the 3D reconstruction faster using Compute Unified Device Architecture (CUDA). Iterative algorithms have shown to produce the highest quality DBT images, but since they are computationally intensive, their clinical use is currently rejected. These algorithms have the potential to reduce patient dose in DBT scans. A method of integrating CUDA in Interactive Data Language (IDL) is proposed in order to accelerate the DBT image reconstructions. This method has never been attempted before for DBT. In this work the system matrix calculation, the most computationally expensive part of iterative algorithms, is accelerated. A speedup of 1.6 is achieved proving the fact that GPUs can accelerate the IDL implementation.

Impact of using different radiation therapy techniques in breat cancer: contralateral breast dose

RESUMO: O cancro de mama e o mais frequente diagnoticado a indiv duos do sexo feminino. O conhecimento cientifico e a tecnologia tem permitido a cria ção de muitas e diferentes estrat egias para tratar esta patologia. A Radioterapia (RT) est a entre as diretrizes atuais para a maioria dos tratamentos de cancro de mama. No entanto, a radia ção e como uma arma de dois canos: apesar de tratar, pode ser indutora de neoplasias secund arias. A mama contralateral (CLB) e um orgão susceptivel de absorver doses com o tratamento da outra mama, potenciando o risco de desenvolver um tumor secund ario. Nos departamentos de radioterapia tem sido implementadas novas tecnicas relacionadas com a radia ção, com complexas estrat egias de administra ção da dose e resultados promissores. No entanto, algumas questões precisam de ser devidamente colocadas, tais como: E seguro avançar para tecnicas complexas para obter melhores indices de conformidade nos volumes alvo, em radioterapia de mama? O que acontece aos volumes alvo e aos tecidos saudaveis adjacentes? Quão exata e a administração de dose? Quais são as limitações e vantagens das técnicas e algoritmos atualmente usados? A resposta a estas questões e conseguida recorrendo a m etodos de Monte Carlo para modelar com precisão os diferentes componentes do equipamento produtor de radia ção(alvos, ltros, colimadores, etc), a m de obter uma descri cão apropriada dos campos de radia cão usados, bem como uma representa ção geometrica detalhada e a composição dos materiais que constituem os orgãos e os tecidos envolvidos. Este trabalho visa investigar o impacto de tratar cancro de mama esquerda usando diferentes tecnicas de radioterapia f-IMRT (intensidade modulada por planeamento direto), IMRT por planeamento inverso (IMRT2, usando 2 feixes; IMRT5, com 5 feixes) e DCART (arco conformacional dinamico) e os seus impactos em irradia ção da mama e na irradia ção indesejada dos tecidos saud aveis adjacentes. Dois algoritmos do sistema de planeamento iPlan da BrainLAB foram usados: Pencil Beam Convolution (PBC) e Monte Carlo comercial iMC. Foi ainda usado um modelo de Monte Carlo criado para o acelerador usado (Trilogy da VARIAN Medical Systems), no c odigo EGSnrc MC, para determinar as doses depositadas na mama contralateral. Para atingir este objetivo foi necess ario modelar o novo colimador multi-laminas High- De nition que nunca antes havia sido simulado. O modelo desenvolvido est a agora disponí vel no pacote do c odigo EGSnrc MC do National Research Council Canada (NRC). O acelerador simulado foi validado com medidas realizadas em agua e posteriormente com c alculos realizados no sistema de planeamento (TPS).As distribui ções de dose no volume alvo (PTV) e a dose nos orgãos de risco (OAR) foram comparadas atrav es da an alise de histogramas de dose-volume; an alise estati stica complementar foi realizadas usando o software IBM SPSS v20. Para o algoritmo PBC, todas as tecnicas proporcionaram uma cobertura adequada do PTV. No entanto, foram encontradas diferen cas estatisticamente significativas entre as t ecnicas, no PTV, nos OAR e ainda no padrão da distribui ção de dose pelos tecidos sãos. IMRT5 e DCART contribuem para maior dispersão de doses baixas pelos tecidos normais, mama direita, pulmão direito, cora cão e at e pelo pulmão esquerdo, quando comparados com as tecnicas tangenciais (f-IMRT e IMRT2). No entanto, os planos de IMRT5 melhoram a distribuição de dose no PTV apresentando melhor conformidade e homogeneidade no volume alvo e percentagens de dose mais baixas nos orgãos do mesmo lado. A t ecnica de DCART não apresenta vantagens comparativamente com as restantes t ecnicas investigadas. Foram tamb em identi cadas diferen cas entre os algoritmos de c alculos: em geral, o PBC estimou doses mais elevadas para o PTV, pulmão esquerdo e cora ção, do que os algoritmos de MC. Os algoritmos de MC, entre si, apresentaram resultados semelhantes (com dferen cas at e 2%). Considera-se que o PBC não e preciso na determina ção de dose em meios homog eneos e na região de build-up. Nesse sentido, atualmente na cl nica, a equipa da F sica realiza medi ções para adquirir dados para outro algoritmo de c alculo. Apesar de melhor homogeneidade e conformidade no PTV considera-se que h a um aumento de risco de cancro na mama contralateral quando se utilizam t ecnicas não-tangenciais. Os resultados globais dos estudos apresentados confirmam o excelente poder de previsão com precisão na determinação e c alculo das distribui ções de dose nos orgãos e tecidos das tecnicas de simulação de Monte Carlo usados.---------ABSTRACT:Breast cancer is the most frequent in women. Scienti c knowledge and technology have created many and di erent strategies to treat this pathology. Radiotherapy (RT) is in the actual standard guidelines for most of breast cancer treatments. However, radiation is a two-sword weapon: although it may heal cancer, it may also induce secondary cancer. The contralateral breast (CLB) is a susceptible organ to absorb doses with the treatment of the other breast, being at signi cant risk to develop a secondary tumor. New radiation related techniques, with more complex delivery strategies and promising results are being implemented and used in radiotherapy departments. However some questions have to be properly addressed, such as: Is it safe to move to complex techniques to achieve better conformation in the target volumes, in breast radiotherapy? What happens to the target volumes and surrounding healthy tissues? How accurate is dose delivery? What are the shortcomings and limitations of currently used treatment planning systems (TPS)? The answers to these questions largely rely in the use of Monte Carlo (MC) simulations using state-of-the-art computer programs to accurately model the di erent components of the equipment (target, lters, collimators, etc.) and obtain an adequate description of the radiation elds used, as well as the detailed geometric representation and material composition of organs and tissues. This work aims at investigating the impact of treating left breast cancer using di erent radiation therapy (RT) techniques f-IMRT (forwardly-planned intensity-modulated), inversely-planned IMRT (IMRT2, using 2 beams; IMRT5, using 5 beams) and dynamic conformal arc (DCART) RT and their e ects on the whole-breast irradiation and in the undesirable irradiation of the surrounding healthy tissues. Two algorithms of iPlan BrainLAB TPS were used: Pencil Beam Convolution (PBC)and commercial Monte Carlo (iMC). Furthermore, an accurate Monte Carlo (MC) model of the linear accelerator used (a Trilogy R VARIANR) was done with the EGSnrc MC code, to accurately determine the doses that reach the CLB. For this purpose it was necessary to model the new High De nition multileaf collimator that had never before been simulated. The model developed was then included on the EGSnrc MC package of National Research Council Canada (NRC). The linac was benchmarked with water measurements and later on validated against the TPS calculations. The dose distributions in the planning 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 the techniques provided adequate coverage of the PTV. However, statistically significant dose di erences 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, heart and even the left lung than tangential techniques (f-IMRT and IMRT2). 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. Di erences were also found comparing the calculation algorithms: PBC estimated higher doses for the PTV, ipsilateral lung and heart than the MC algorithms predicted. The MC algorithms presented similar results (within 2% di erences). The PBC algorithm was considered not accurate in determining the dose in heterogeneous media and in build-up regions. Therefore, a major e ort is being done at the clinic to acquire data to move from PBC to another calculation algorithm. Despite better PTV homogeneity and conformity there is an increased risk of CLB cancer development, when using non-tangential techniques. The overall results of the studies performed con rm the outstanding predictive power and accuracy in the assessment and calculation of dose distributions in organs and tissues rendered possible by the utilization and implementation of MC simulation techniques in RT TPS.