Preparação e caracterização de biomateriais poliméricos para avaliação da viabilidade de uso como phantom biológico

The theoretical and experimental developments in the biomaterials area have been directly applied to different fields of Medicine (odontology, regenerative medicine and radiotherapy). These advances have focused both for diagnosing diseases such as for quantifying degrees of progression. From the perspective of these studies, biomaterials are being designed and manufactured for application in various areas of science, provided advances in diagnostic radiology, radiotherapy dosimetry and calibration of radiotherapy equipment. Develop a phantom from a biomaterial has become a great ally of medicine in the treat patients with oncological diseases, allowing better performance of the equipment in order to reduce damage to healthy tissue due to excessive exposure to radiation. This work used polymers: chitosan and gelatin, for making the polymeric structures and controlled for different types of production and processing, characterizing and evaluating the biopolymer by physical techniques (STL, SEM and DEI) and therefore analyze applicability as phantom mouse lung. It was possible to evaluate the morphology of biomaterials quantitatively by scanning electron microscopy associated with imaging technique. The relevance of this work focuses on developing a phantom from polymeric biomaterials that can act as phantom providing high image contrast when subjected to analysis. Thus, the choice of DEI technique is satisfactory since it is an imaging technique of X-ray high resolution. The images obtained by DEI have shown the details of the internal microstructure of the biomaterial produced which have ≈ 10 μm dimension. The phantoms had made density ranging from 0.08 a 0.13 g/cm3.

Tissue Equivalent Phantom Design for Optimization of a Coherent Scatter Imaging System

Scatter in medical imaging is typically cast off as image-related noise that detracts from meaningful diagnosis. It is therefore typically rejected or removed from medical images. However, it has been found that every material, including cancerous tissue, has a unique X-ray coherent scatter signature that can be used to identify the material or tissue. Such scatter-based tissue-identification provides the advantage of locating and identifying particular materials over conventional anatomical imaging through X-ray radiography. A coded aperture X-ray coherent scatter spectral imaging system has been developed in our group to classify different tissue types based on their unique scatter signatures. Previous experiments using our prototype have demonstrated that the depth-resolved coherent scatter spectral imaging system (CACSSI) can discriminate healthy and cancerous tissue present in the path of a non-destructive x-ray beam. A key to the successful optimization of CACSSI as a clinical imaging method is to obtain anatomically accurate phantoms of the human body. This thesis describes the development and fabrication of 3D printed anatomical scatter phantoms of the breast and lung.

The purpose of this work is to accurately model different breast geometries using a tissue equivalent phantom, and to classify these tissues in a coherent x-ray scatter imaging system. Tissue-equivalent anatomical phantoms were designed to assess the capability of the CACSSI system to classify different types of breast tissue (adipose, fibroglandular, malignant). These phantoms were 3D printed based on DICOM data obtained from CT scans of prone breasts. The phantoms were tested through comparison of measured scatter signatures with those of adipose and fibroglandular tissue from literature. Tumors in the phantom were modeled using a variety of biological tissue including actual surgically excised benign and malignant tissue specimens. Lung based phantoms have also been printed for future testing. Our imaging system has been able to define the location and composition of the various materials in the phantom. These phantoms were used to characterize the CACSSI system in terms of beam width and imaging technique. The result of this work showed accurate modeling and characterization of the phantoms through comparison of the tissue-equivalent form factors to those from literature. The physical construction of the phantoms, based on actual patient anatomy, was validated using mammography and computed tomography to visually compare the clinical images to those of actual patient anatomy.

Heat Dissipation of Hybrid Iron Oxide-Gold Nanoparticles in an Agar Phantom

Hybrid iron oxide-gold nanoparticles (HNPs) have shown potential in cancer therapy as agents for tumour ablation
and thermal switches for targeted drug release. Heat generation occurs by exploitation of the surface plasmon
resonance of the gold coating, which usually occurs at the maximum UV absorption wavelength. However, lasers
at such wavelength are often expensive and highly specialised. Here, we report the heating and monitoring of heat
dissipation of HNPs suspended in agar phantoms using a relatively inexpensive Ng: YAG pulsed 1064 nm laser source.
The particles experience heating of up to 40°C with a total area of heat dissipation up to 132.73 mm2 from the 1 mm
diameter irradiation point after 60 seconds. This work reports the potential and possible drawbacks of these particles
for translation into cancer therapy based on our findings.

Three-dimensional, in-silico breast phantom for multimodality image simulations

We report on the construction of anatomically realistic three-dimensional in-silico breast phantoms with adjustable sizes, shapes and morphologic features. The concept of multiscale spatial resolution is implemented for generating breast tissue images from multiple modalities. Breast epidermal boundary and subcutaneous fat layer is generated by fitting an ellipsoid and 2nd degree polynomials to reconstructive surgical data and ultrasound imaging data. Intraglandular fat is simulated by randomly distributing and orienting adipose ellipsoids within a fibrous region immediately within the dermal layer. Cooper’s ligaments are simulated as fibrous ellipsoidal shells distributed within the subcutaneous fat layer. Individual ductal lobes are simulated following a random binary tree model which is generated based upon probabilistic branching conditions described by ramification matrices, as originally proposed by Bakic et al [3, 4]. The complete ductal structure of the breast is simulated from multiple lobes that extend from the base of the nipple and branch towards the chest wall. As lobe branching progresses, branches are reduced in height and radius and terminal branches are capped with spherical lobular clusters. Biophysical parameters are mapped onto the complete anatomical model and synthetic multimodal images (Mammography, Ultrasound, CT) are generated for phantoms of different adipose percentages (40%, 50%, 60%, and 70%) and are analytically compared with clinical examples. Results demonstrate that the in-silico breast phantom has applications in imaging performance evaluation and, specifically, great utility for solving image registration issues in multimodality imaging.

Assessment of the performance of an enhanced planar processing algorithm for whole-body bone scintigraphy : a phantom study

A cintigrafia óssea de corpo inteiro representa um dos exames imagiológicos mais frequentes realizados em medicina nuclear. Para além de outras aplicações, este procedimento é capaz de fornecer o diagnóstico de metástases ósseas. Em doentes oncológicos, a presença de metástases ósseas representa um forte indicador prognóstico da longevidade do doente. Para além disso, a presença ou ausência de metástases ósseas irá influenciar o planeamento do tratamento, requerendo para isso uma interpretação precisa dos resultados imagiológicos. Problema: Tendo em conta que a metastização óssea é considerada uma complicação severa relacionada com aumento da morbilidade e diminuição de sobrevivência dos doentes, o conceito de patient care torna-se ainda mais imperativo nestas situações. Assim, devem ser implementadas as melhores práticas imagiológicas de forma a obter o melhor resultado possível do procedimento efetuado, associado ao desconforto mínimo do doente. Uma técnica provável para atingir este objetivo no caso específico da cintigrafia óssea de corpo inteiro é a redução do tempo de aquisição, contudo, as imagens obtidas por si só teriam qualidade de tal forma reduzida que os resultados poderiam ser enviesados. Atualmente, surgiram novas técnicas, nomeadamente relativas a processamento de imagem, através das quais é possível gerar imagens cintigráficas com contagem reduzida de qualidade comparável àquela obtida com o protocolo considerado como standard. Ainda assim, alguns desses métodos continuam associados a algumas incertezas, particularmente no que respeita a sustentação da confiança diagnóstica após a modificação dos protocolos de rotina. Objetivos: O presente trabalho pretende avaliar a performance do algoritmo Pixon para processamento de imagem por meio de um estudo com fantoma. O objetivo será comparar a qualidade de imagem e a detetabilidade fornecidas por imagens não processadas com aquelas submetidas à referida técnica de processamento. Para além disso, pretende-se também avaliar o efeito deste algoritmo na redução do tempo de aquisição. De forma a atingir este objetivo, irá ser feita uma comparação entre as imagens obtidas com o protocolo standard e aquelas adquiridas usando protocolos mais rápidos, posteriormente submetidas ao método de processamento referido. Material e Métodos: Esta investigação for realizada no departamento de Radiologia e Medicina Nuclear do Radboud University Nijmegen Medical Centre, situado na Holanda. Foi utilizado um fantoma cilíndrico contendo um conjunto de seis esferas de diferentes tamanhos, adequado à técnica de imagem planar. O fantoma foi preparado com diferentes rácios de atividade entre as esferas e o background (4:1, 8:1, 17:1, 22:1, 32:1 e 71:1). Posteriormente, para cada teste experimental, o fantoma foi submetido a vários protocolos de aquisição de imagem, nomeadamente com diferentes velocidades de aquisição: 8 cm/min, 12 cm/min, 16 cm/min e 20 cm/min. Todas as imagens foram adquiridas na mesma câmara gama - e.cam Signature Dual Detector System (Siemens Medical Solutions USA, Inc.) - utilizando os mesmos parâmetros técnicos de aquisição, à exceção da velocidade. Foram adquiridas 24 imagens, todas elas submetidas a pós-processamento com recurso a um software da Siemens (Siemens Medical Solutions USA, Inc.) que inclui a ferramenta necessária ao processamento de imagens cintigráficas de corpo inteiro. Os parâmetros de reconstrução utilizados foram os mesmos para cada série de imagens, estando estabelecidos em modo automático. A análise da informação recolhida foi realizada com recurso a uma avaliação objetiva (utilizando parâmetros físicos de qualidade de imagem) e outra subjetiva (através de dois observadores). A análise estatística foi efetuada recorrendo ao software SPSS versão 22 para Windows. Resultados: Através da análise subjetiva de cada rácio de atividade foi demonstrado que, no geral, a detetabilidade das esferas aumentou após as imagens serem processadas. A concordância entre observadores para a distribuição desta análise foi substancial, tanto para imagens não processadas como imagens processadas. Foi igualmente demonstrado que os parâmetros físicos de qualidade de imagem progrediram depois de o algoritmo de processamento ter sido aplicado. Para além disso, observou-se ao comparar as imagens standard (adquiridas com 8 cm/min) e aquelas processadas e adquiridas com protocolos mais rápidos que: imagens adquiridas com uma velocidade de aquisição de 12 cm/min podem fornecer resultados melhorados, com parâmetros de qualidade de imagem e detetabilidade superiores; imagens adquiridas com uma velocidade de 16 cm/min fornecem resultados comparáveis aos standard, com valores aproximados de qualidade de imagem e detetabilidade; e imagens adquiridas com uma velocidade de 20 cm/min resultam em valores diminuídos de qualidade de imagem, bem como redução a nível da detetabilidade. Discussão: Os resultados obtidos foram igualmente estabelecidos por meio de um estudo clínico numa investigação independente, no mesmo departamento. Foram incluídos cinquenta e um doentes referidos com carcinomas da mama e da próstata, com o objetivo de estudar o impacto desta técnica na prática clínica. Os doentes foram, assim, submetidos ao protocolo standard e posteriormente a uma aquisição adicional com uma velocidade de aquisição de 16 cm/min. Depois de as imagens terem sido cegamente avaliadas por três médicos especialistas, concluiu-se que a qualidade de imagem bem como a detetabilidade entre imagens era comparável, corroborando os resultados desta investigação. Conclusão: Com o objetivo de reduzir o tempo de aquisição aplicando um algoritmo de processamento de imagem, foi demonstrado que o protocolo com 16 cm/min de velocidade de aquisição será o limite para o aumento dessa mesma velocidade. Após processar a informação, este protocolo fornece os resultados mais equivalentes àqueles obtidos com o protocolo standard. Tendo em conta que esta técnica foi estabelecida com sucesso na prática clínica, pode-se concluir que, pelo menos em doentes referidos com carcinomas da mama e da próstata, o tempo de aquisição pode ser reduzido para metade, duplicando a velocidade de aquisição de 8 para 16 cm/min.