Imagem de tensor de difusão em alzheimer

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

The use of technology in Portuguese hospitals: The case of MRI

A Work Project, presented as part of the requirements for the Award of a Masters Degree in Economics from the NOVA – School of Business and Economics

Equity in access to MRI equipment: the Portuguese case

Magnetic resonance imaging (MRI) is a method of image diagnose proven to be of undeniable importance when it comes to neuro and cardio related diseases. In fact, these diseases (such as: ischemic heart disease, stroke and acute myocardial infection) have high incidence in Portugal. For these reasons, the allocation of this medical technology should not be considered with light thoughts. In fact, making decision of resource allocation in health care can be a very complex and contested matter. The impacts of new technology allocation, such MRI, can be assessed in a variety of ways. However, a fundamental component should always be present: the use of evidence-based decision-making methods. One of these methods is Technology Assessment (TA). This paper aims to characterize the equity on access of the Portuguese population in general, to a specific medical device such as MRI, under the TA point of view. It is hoped to promote a bridge of scientific knowledge between the gap on research and policy-making through TA that can emerge as a tool to aid decision-makers in the organization of health systems. There are gaps in providing healthcare, due to geographical imbalances, with some areas unable to provide certain specialized services, as hospitals in the countryside do not provide all medical specialties. Portugal has also a large independent private sector that provides diagnostic and therapeutic services to NHS users under contracts called conventions. These medical contracts cover ambulatory health facilities for laboratory tests and examinations such as diagnostic tests and Radiology. However, there is no convention from the NHS when concerning the MRI exam. Therefore, this reality can be considered a limitation in the access of the general population to this kind of clinical exam. TA can play an useful and important role in helping the decision-makers to explore potential gains that might be achieved by introducing a more rational decision making into health care management, namely into the Radiology area, regarding the allocation of MRI equipment.

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.

Diffusional kurtosis imaging using a fast heuristic constrained linear least squares algorithm: a plugin for OsiriX

Diffusion Kurtosis Imaging (DKI) is a fairly new magnetic resonance imag-ing (MRI) technique that tackles the non-gaussian motion of water in biological tissues by taking into account the restrictions imposed by tissue microstructure, which are not considered in Diffusion Tensor Imaging (DTI), where the water diffusion is considered purely gaussian. As a result DKI provides more accurate information on biological structures and is able to detect important abnormalities which are not visible in standard DTI analysis. This work regards the development of a tool for DKI computation to be implemented as an OsiriX plugin. Thus, as OsiriX runs under Mac OS X, the pro-gram is written in Objective-C and also makes use of Apple’s Cocoa framework. The whole program is developed in the Xcode integrated development environ-ment (IDE). The plugin implements a fast heuristic constrained linear least squares al-gorithm (CLLS-H) for estimating the diffusion and kurtosis tensors, and offers the user the possibility to choose which maps are to be generated for not only standard DTI quantities such as Mean Diffusion (MD), Radial Diffusion (RD), Axial Diffusion (AD) and Fractional Anisotropy (FA), but also DKI metrics, Mean Kurtosis (MK), Radial Kurtosis (RK) and Axial Kurtosis (AK).The plugin was subjected to both a qualitative and a semi-quantitative analysis which yielded convincing results. A more accurate validation pro-cess is still being developed, after which, and with some few minor adjust-ments the plugin shall become a valid option for DKI computation

Functional MRI of stimulus interference on auditory processing in normal listeners and tinnitus patients

We are constantly immersed in stimuli. Upon reaching our senses, stimuli are processed within various brain systems along various pathways into the brain, and eventually turned into a percept. However, there are percepts that do not result from responses to external source stimuli. A particular case of this situation is the auditory percept known as tinnitus. Tinnitus can be seen as a task-irrelevant auditory percept, commonly reported to interfere with normal daily tasks. This is known from reports made by tinnitus sufferers that refer to their phantom percept as distracting, and that it diverts their focus from the task-relevant stimuli.(...)

The use of technology in Portuguese hospitals- The case of MRI

We study the determinants of MRI use across Portuguese NHS hospitals for patients belonging to specific DRGs. Using data on individual hospital admissions, we estimate a probit model including individual-, hospital-, time- and region-specific variables in order to explain the probability of a patient being sent for MRI. Results convey a tightening effect on the hospital’s budget constraint in the end of each year. Hospitals seem to account for regional characteristics when defining adoption patterns. Individual-specific variables are good predictors of MRI use. Measures taken by the Government only impact the short run. Finally, the gains from an MRI scan, as far as the probability of death is concerned, occur mainly for less severe patients.

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.

Structural connectivity based on diffusion Kurtosis imaging

Structural connectivity models based on Diffusion Tensor Imaging (DTI) are strongly affected by the technique’s inability to resolve crossing fibres, either intra- or inter-hemispherical connections. Several models have been proposed to address this issue, including an algorithm aiming to resolve crossing fibres which is based on Diffusion Kurtosis Imaging (DKI). This technique is clinically feasible, even when multi-band acquisitions are not available, and compatible with multi-shell acquisition schemes. DKI is an extension of DTI enabling the estimation of diffusion tensor and diffusion kurtosis metrics. In this study we compare the performance of DKI and DTI in performing structural brain connectivity. Six healthy subjects were recruited, aged between 25 and 35 (three females). The MRI experiments were performed using a 3T Siemens Trio with a 32-channel head coil. The scans included a T1-weighted sequence (1mm3), and a DWI with b-values 0, 1000 and 2000 s:mm

Engineered MRI nanoprobes based on superparamagnetic iron oxide nanoparticles

This project aimed to engineer new T2 MRI contrast agents for cell labeling based on formulations containing monodisperse iron oxide magnetic nanoparticles (MNP) coated with natural and synthetic polymers. Monodisperse MNP capped with hydrophobic ligands were synthesized by a thermal decomposition method, and further stabilized in aqueous media with citric acid or meso-2,3-dimercaptosuccinic acid (DMSA) through a ligand exchange reaction. Hydrophilic MNP-DMSA, with optimal hydrodynamic size distribution, colloidal stability and magnetic properties, were used for further functionalization with different coating materials. A covalent coupling strategy was devised to bind the biopolymer gum Arabic (GA) onto MNPDMSA and produce an efficient contrast agent, which enhanced cellular uptake in human colorectal carcinoma cells (HCT116 cell line) compared to uncoated MNP-DMSA. A similar protocol was employed to coat MNP-DMSA with a novel biopolymer produced by a biotechnological process, the exopolysaccharide (EPS) Fucopol. Similar to MNP-DMSA-GA, MNP-DMSA-EPS improved cellular uptake in HCT116 cells compared to MNP-DMSA. However, MNP-DMSA-EPS were particularly efficient towards the neural stem/progenitor cell line ReNcell VM, for which a better iron dose-dependent MRI contrast enhancement was obtained at low iron concentrations and short incubation times. A combination of synthetic and biological coating materials was also explored in this project, to design a dynamic tumortargeting nanoprobe activated by the acidic pH of tumors. The pH-dependent affinity pair neutravidin/iminobiotin, was combined in a multilayer architecture with the synthetic polymers poy-L-lysine and poly(ethylene glycol) and yielded an efficient MRI nanoprobe with ability to distinguish cells cultured in acidic pH conditions form cells cultured in physiological pH conditions.