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

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

Tomographic imaging with a scanning laser ophtalmoscop

Retinal imaging with a confocal scaning laser Ophthalmoscope (cSLO) involves scanning a small laser beam over the retina and constructing an image from the reflected light. By applying the confocal principle, tomographic images can be produced by measuring a sequence of slices at different depths. However, the thickness of such slices, when compared with the retinal thickness, is too large to give useful 3D retinal images, if no processing is done. In this work, a prototype cSLO was modified in terms hardware and software to give the ability of doing the tomographic measurements with the maximum theoretical axial resolution possible. A model eye was built to test the performance of the system. A novel algorithm has been developed which fits a double Gaussian curve to the axial intensity profiles generated from a stack of images slices. The underlying assumption is that the laser light has mainly been reflected by two structures in the retina, the internal limiting membrane and the retinal pigment epithelium. From the fitted curve topographic images and novel thickness images of the retina can be generated. Deconvolution algorithms have also been developed to improve the axial resolution of the system, using a theoretically predicted cSLO point spread function. The technique was evaluated using measurements made on a model eye, four normal eyes and seven eyes containing retinal pathology. The reproducibility, accuracy and physiological measurements obtained, were compared with available published data, and showed good agreement. The difference in the measurements when using a double rather than a single Gaussian model was also analysed.

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

Correction of spatial distortion in magnetic resonance imaging

Dissertation to Obtain the Degree of Master in Biomedical Engineering

Chromatin dynamics in Arbidopsis development: a live cell imaging approach

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology

Technology governance in radiology: the example of magnetic resonance imaging

Based on the report for the unit “Project III” of the PhD programme on Technology Assessment in 2011. The unit was supervised by Prof. António B. Moniz (FCT-UNL).

Geospatial assessment of pest-induced forest damage through the use of UAV-bases NIR imaging and Gi-technology

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.

Microwave imaging of the axilla to aid breast cancer diagnosis

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

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.

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.