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

Radiation damage in flexible TFTs and organic detectors

In this thesis was investigated the radiation hardness of the building blocks of a future flexible X-ray sensor system. The characterized building blocks for the pixel addressing and signal amplification electronics are high mobility semiconducting oxide transistors (HMSO-TFTs) and organic transistors (OTFTs), whereas the photonic detection system is based on organic semiconducting single crystals (OSSCs). TFT parameters such as mobility, threshold voltage and subthreshold slope were measured as function of cumulative X-ray dose. Instead for OSSCs conductivity and X-ray sensitivity were analysed after various radiation steps. The results show that ionizing radiation does not lead to degradation in HMSO-TFTs. Instead OTFTs show instability in mobility which is reduced up to 73% for doses of 1 kGy. OSSC demonstrate stable detector properties for the tested total dose range. As conclusion, HMSO-TFTs and OSSCs can be readily employed in the X-ray detector system allowing operation for total doses exceeding 1 kGy of ionizing radiation.

Design and testing of a radiation hardened 13-bit 80 MS/s pipeline ADC implemented in a 90nm standard CMOS process

Second International Workshop on Analog and Mixed Signal Integrated Circuits for Space Applications (AMICSA 2008), Sintra, Portugal, Setembro de 2008

SENSITIVITY ANALYSIS OF TRACK VIBRATIONS DUE TO VERTICAL STIFFNESS VARIATION IN HIGH-SPEED RAILWAYS

High speed trains, when crossing regions with abrupt changes in vertical stiffness of the track and/or subsoil, may generate excessive ground and track vibrations. There is an urgent need for specific analyses of this problem so as to allow reliable esimates of vibration amplitude. Full understanding of these phenomena will lead to new construction solutions and mitigation of undesirable features. In this paper analytical transient solutions of dynamic response of one-dimensional systems with sudden change of foundation stiffness are derived. Results are expressed in terms of vertical displacement. Sensitivity analysis of the response amplitude is also performed. The analytical expressions presented herein, to the authors’ knowledge, have not been published yet. Although related to one-dimensional cases, they can give useful insight into the problem. Nevertheless, in order to obtain realistic response, vehicle- rail interaction cannot be omitted. Results and conclusions are confirmed using general purpose commercial software ANSYS. In conclusion, this work contributes to a better understanding of the additional vibration phenomenon due to vertical stiffness variation, permitting better control of the train velocity and optimization of the track design.

Hepatic parasympathetic nerve dysfunction involved in the deregulation of postprandial whole-body insulin sensitivity:a road to diabetes and associated pathologies

FCM: UC Fisiologia - Teses de Doutoramento

Effects of UV radiation exposure on DNA and DNA repair enzymes

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Aplicação clínica - avaliação da técnica acoustic radiation force impulse

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.

Disclosing the caffeine dose to be administered that restores insulin sensitivity in prediabetes animal

The results discussed in this thesis originated the following communications in International and National congresses: Sacramento JF, Coelho JC, Melo BF, Guarino MP and Conde SV. (2014) Assessment of caffeine dose and time of administration required for resetting insulin sensitivity in high sucrose diet in rats. 50th Meeting of EASD (European Association for the study of Diabetes), 14-19 September, Vienna, Austria Coelho JC, Melo BF, Sacramento JF, Guarino MP and Conde SV (2014). Establishing the caffeine dose that chronically restores insulin sensitivity in animal model of prediabetes. Fundação Astrazeneca Innovate Competition, iMed conference 6.0®, 10-12 October, Lisboa, Portugal Also, during the last year I was involved in other ongoing projects that originated the following communications: Coelho JC, Melo BF, Sacramento JF, Ribeiro MJ, Guarino MP and Conde SV (2014). Are the effects of carotid sinus nerve resection on insulin sensitivity mediated by an increase in Glut4 expression in skeletal muscle?. XLIV Reunião Anual da Sociedade Portuguesa de Farmacologia, XXXII Reunião de Farmacologia Clínica e XIII Reunião de Toxicologia, 5-7 February, Coimbra, Portugal Sacramento JF, Rodrigues T, Coelho JC, Matafome P, Ribeiro MJ, Seiça RM, Guarino MP, Conde SV (2014). Elucidating the mechanism by which carotid sinus nerve resection restores insulin sensitivity in pre-diabetes animal models. International Society for Arterial Chemoreception (ISAC) XIX University of Leeds, 29th June - 3rd July, Leeds, United Kingdom

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.