Modelling and optimization of the ion exchange membrane bioreactor for removal of anionic pollutants from drinking water streams

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química, especialidade de Engenharia Bioquímica

Distúrbios osteomioarticulares : lombalgia e escoliose : prevalência e fatores associados : um estudo analítico e transversal em adolescentes da região do Algarve

RESUMO - Introdução: Os distúrbios osteomioarticulares envolvem diversas condições donde se destacam a lombalgia e a escoliose, a primeira considerando o fato que a sua prevalência tem vindo a aumentar em adolescentes consistindo num problema crescente de saúde pública que envolve custos indiretos e a escoliose pela ausência de estudos nacionais. Diversos fatores físicos, genéticos, mecânicos, comportamentais e ambientais podem estar envolvidos na patogénese das lombalgias e escolioses. O ambiente escolar, incluindo as posturas adotadas pelos alunos e o transporte das mochilas escolares, e alguns hábitos de estilos de vida constituem fatores que podem contribuir para o desenvolvimento destes distúrbios osteomioarticulares. Este estudo também aborda o estado ponderal, nomeadamente o excesso de peso e a obesidade, pois este é referido frequentemente como um potencial fator de risco destes distúrbios osteomioarticulares (apesar de ainda apresentar controvérsia na literatura), além de ser, por si só, atualmente considerado como um dos mais graves problemas de saúde pública a nível mundial. Objetivos do estudo: (1) determinar a prevalência pontual, anual e ao longo da vida de lombalgia, assim como a prevalência de escoliose em adolescentes da região do Algarve; (2) identificar os fatores associados ao desenvolvimento destes distúrbios osteomioarticulares; (3) determinar a prevalência de excesso de peso e de obesidade e explorar a sua eventual associação com a prevalência de lombalgia e escoliose em adolescentes; (4) comparar os resultados obtidos nos diferentes métodos antropométricos (Índice de massa corporal - IMC, medição das pregas cutâneas e circunferência abdominal) e verificar a sua concordância. Material e métodos: O desenho deste estudo foi de natureza observacional, analítico e transversal. O estudo foi aprovado pela Comissão de Ética da Administração Regional de Saúde do Algarve, pela Direção Regional de Educação do Algarve, pela Direção-Geral de Inovação e de Desenvolvimento Curricular, Ministério da Educação e Ciência, e pelas Direções dos Agrupamentos de Escolas que participaram do projeto. A amostra incluiu 966 adolescentes da região do Algarve, sul de Portugal, com idades compreendidas entre os 10 e 16 anos (12,24±1,53 anos), sendo 437 (45,2%) do sexo masculino e 529 (54,8%) do feminino. O método de amostragem foi aleatório estratificado, com base nos concelhos da região do Algarve, assumindo que poderia existir heterogeneidades geográficas. Os instrumentos de medida foram aplicados num único momento (2011/2012) e incluíram o Questionário de Lombalgia e Hábitos Posturais para caracterizar a presença de lombalgia e os hábitos posturais adotados pelos alunos em casa e na escola, o escoliómetro para avaliar a presença de escoliose, a balança, o estadiómetro (sendo posteriormente calculado o IMC), o adipómetro e a fita métrica. A análise dos dados incluiu técnicas de estatística descritiva, gráficas e analíticas aplicadas à todas as variáveis em estudo. Para determinar a associação entre as variáveis do estudo foi utilizada a estatística inferencial, nomeadamente o teste de independência do Qui-quadrado. Para analisar as correlações entre as medidas obtidas com os métodos antropométricos (na sua forma quantitativa), foi utilizado o coeficiente de Spearman. A influência das diversas variáveis na presença de lombalgia foi aferida através de regressões logísticas binárias, sendo os resultados apresentados como odds ratios brutos e ajustados e respetivos intervalos de confiança. Resultados: O presente estudo revelou uma elevada prevalência de lombalgia (anual: 47,2%; pontual: 15,7%; ao longo da vida: 62,1%). As raparigas apresentaram 2,05 de probabilidade de apresentar lombalgia comparativamente aos rapazes (IC 95%: 1,58-2,65; p<0,001), assim como os alunos com idades mais avançadas (13-16 anos) comparativamente aos mais novos (10-12 anos) que tiveram 1,54 de chances (IC 95%: 1,19-1,99; p=0,001). Os alunos que indicaram adotar uma postura de sentado com a coluna vertebral posicionada incorretamente apresentaram 2,49 de probabilidade de revelar lombalgia (IC 95%: 1,91-3,24; p<0,001), os alunos que afirmaram se posicionar de forma inadequada para assistir televisão ou jogar videojogos tiveram a probabilidade de 2,01 (IC 95%: 1,55- 2,61; p<0,001) e aqueles que adotaram a postura de pé incorretamente tiveram 3,39 de chance de apresentar lombalgia (IC 95%: 2,19-5,23; p<0,001). A escoliose esteve presente em 41 (4,2%) alunos. As raparigas apresentaram a maior prevalência (4,5% versus 3,9%) do que os rapazes e o mesmo foi observado nas raparigas que apresentaram a menarca tardia (8,6% versus 3,3%) e os que foram classificados como magros (7,1%), não sendo no entanto estas diferenças estatisticamente significativas. Relativamente à prevalência de excesso de peso e obesidade, os valores variaram de 31,6%, 61,4% e 41,1% de acordo com a medição do IMC, pregas cutâneas e circunferência abdominal, respetivamente. Os valores obtidos com a avaliação dos três métodos antropométricos apresentaram um elevado alto grau de correlação entre o IMC e as pregas cutâneas (p<0,001; r=0,712), entre o IMC e circunferência abdominal (p<0,001; r=0,884) e entre a circunferência abdominal e as pregas cutâneas (p<0,001; r=0,701). Conclusões: O presente estudo revelou valores de prevalência de lombalgia semelhante a estudos anteriores sendo que os alunos com idade mais avançada, ou do sexo feminino ou aqueles que adotavam a postura sentada e de pé de forma inadequada ou os que transportavam indevidamente a mochila escolar apresentaram a maior prevalência. Quanto à presença de escoliose, observou-se uma baixa prevalência não sendo verificada nenhuma associação significativa com os fatores analisados. Relativamente ao estado ponderal, verificou-se uma elevada prevalência de excesso de peso e obesidade, com a utilização dos três métodos antropométricos: IMC, medição das pregas cutâneas e circunferência abdominal, tendo sido verificado um elevado grau de correlação entre estes três métodos antropométricos. Este estudo contribuiu para determinar a magnitude destes distúrbios osteomiarticulares nesta população específica, assim como seus possíveis fatores associados. De acordo os resultados obtidos no presente estudo, torna-se necessário ações de intervenção nas escolas, envolvendo não somente os alunos, mas toda a comunidade escolar, com o objetivo de prevenção destes distúrbios osteomioarticulares através da promoção de hábitos de vida saudável.

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.

Land cover mapping analysis and urban growth modeling using remote sensing techniques

The rapid growth of big cities has been noticed since 1950s when the majority of world population turned to live in urban areas rather than villages, seeking better job opportunities and higher quality of services and lifestyle circumstances. This demographic transition from rural to urban is expected to have a continuous increase. Governments, especially in less developed countries, are going to face more challenges in different sectors, raising the essence of understanding the spatial pattern of the growth for an effective urban planning. The study aimed to detect, analyse and model the urban growth in Greater Cairo Region (GCR) as one of the fast growing mega cities in the world using remote sensing data. Knowing the current and estimated urbanization situation in GCR will help decision makers in Egypt to adjust their plans and develop new ones. These plans should focus on resources reallocation to overcome the problems arising in the future and to achieve a sustainable development of urban areas, especially after the high percentage of illegal settlements which took place in the last decades. The study focused on a period of 30 years; from 1984 to 2014, and the major transitions to urban were modelled to predict the future scenarios in 2025. Three satellite images of different time stamps (1984, 2003 and 2014) were classified using Support Vector Machines (SVM) classifier, then the land cover changes were detected by applying a high level mapping technique. Later the results were analyzed for higher accurate estimations of the urban growth in the future in 2025 using Land Change Modeler (LCM) embedded in IDRISI software. Moreover, the spatial and temporal urban growth patterns were analyzed using statistical metrics developed in FRAGSTATS software. The study resulted in an overall classification accuracy of 96%, 97.3% and 96.3% for 1984, 2003 and 2014’s map, respectively. Between 1984 and 2003, 19 179 hectares of vegetation and 21 417 hectares of desert changed to urban, while from 2003 to 2014, the transitions to urban from both land cover classes were found to be 16 486 and 31 045 hectares, respectively. The model results indicated that 14% of the vegetation and 4% of the desert in 2014 will turn into urban in 2025, representing 16 512 and 24 687 hectares, respectively.