Aproximação facial forense: relação entre as estruturas ósseas e a porção inferior do nariz

Este trabalho teve o propósito de avaliar a relação entre a cartilagem alar e a abertura piriforme a partir de imagens de tomografia computadorizada cone-beam e a relação do nariz com o padrão esquelético vertical da face. A pesquisa foi realizada com 96 imagens de indivíduos de ambos os sexos (49 masculino e 47 feminino), com idades entre 18 e 65 anos classificados de acordo com sua tipologia facial. Para a realização das marcações e mensurações de interesse foi utilizado o software OsiriX. A tipologia facial foi acessada através de três metodologias: índice facial, ângulo goníaco e proporção entre as alturas faciais. No corte axial da imagem de tomografia computadorizada, foram aferidas quatro grandezas lineares: largura do nariz externo, distância entre as inserções alares, extensão da base da abertura piriforme e máxima largura da abertura piriforme. Todas as grandezas foram mensuradas por dois examinadores em concordância. A análise dos resultados obtidos mostrou que há correlação entre as larguras do nariz externo e da abertura piriforme e entre a base da cavidade nasal e a distância entre as inserções alares. A largura da abertura piriforme aumenta proporcionalmente mais que a do nariz. Além disso, a tipologia facial longa associa-se à largura nasal.

Análise da correlação entre índices radiomorfométricos de densidade óssea, perfil de qualidade óssea em software de implante, quociente de estabilidade e torque de inserção em implantes

A qualidade óssea, bem como a estabilidade inicial dos implantes, está diretamente relacionada com o sucesso das reabilitações na implantodontia. O presente estudo teve como objetivo analisar a correlação entre índices radiomorfométricos de densidade óssea por meio de radiografias panorâmicas, perfil de qualidade óssea com o auxílio de Tomografia Computadorizada de Feixe Cônico (TCFC) com o uso do software de imagens OsiriX, Análise da Frequência de Ressonância (RFA) e Torque de Inserção do implante. Foram avaliados 160 implantes de 72 indivíduos, com média etária de 55,5 (±10,5) anos. Nas radiografias panorâmicas foram obtidos os índices IM, IPM e ICM, e nas tomografias computadorizadas de feixe cônico, os valores de pixels e a espessura da cortical da crista óssea alveolar, além da estabilidade primária por meio do torque de inserção e análise da frequência de ressonância. Os resultados foram analisados pelo coeficiente de correlação de Spearman, para p<= 0,01 foi obtido entre o torque de inserção e valores de pixels (0.330), o torque de inserção e a espessura da cortical da crista alveolar (0.339), o torque de inserção e o ISQ vestibulo-lingual (0.193), os valores de pixels e espessura da cortical da crista alveolar (0.377), as duas direções vestíbulo-lingual e mesio-distal do ISQ (0.674), o ISQ vestíbulo-lingual e a espessura da cortical da crista alveolar (0.270); os índices radiomorfométricos foram correlacionados entre eles e para p<= 0,05 foi obtido entre torque de inserção e ISQ mesio-distal (0.131), entre o ISQ vestibulo-lingual e os valores de pixels (0.156) e ISQ mesio-distal e IPMI esquerdo (0.149) e ISQ mesio-distal e IPMS esquerdo (0.145). Existe correlação entre a TCFC, o torque de inserção e a RFA na avaliação da qualidade óssea. É possível utilizar, pré-cirurgicamente, os exames de TCFC para avaliar a qualidade e quantidade óssea, tendo em vista as correlações obtidas neste estudo.

Avaliação em 3D da cabeça da mandíbula em crianças portadoras de mordida cruzada posterior unilateral por meio de tomografia computadorizada de feixe cônico

Durante o desenvolvimento da oclusão, a instalação de maloclusões podem resultar em desarmonias dento faciais de natureza e severidade diversas, podendo provocar alterações no desenvolvimento crânio facial, dentre as estruturas envolvidas as Articulações Temporo Mandibulares (ATM), podem sofrer alguma influência, dessa forma a avaliação desta região, no aspecto morfológico e funcional, constituí tema de interesse, sempre que levados em conta os aspectos funcionais da oclusão. A relação entre a forma e a função, tanto das cabeças da mandíbula, bem como o contorno da fossa mandibular com as maloclusões ainda é controversa e não está compreendida por completo, porém a literatura sobre o assunto, demonstra correlação entre a instalação de maloclusões e modificações neste sistema, mesmo que algumas alterações não sejam de ordem estatística e em amostras de indivíduos em tenra idade, as mesmas podem comprometer o desenvolvimento adequado em indivíduos adultos ou mesmo adultos jovens. Tendo como propósito nesse estudo a avaliação das cabeças da mandíbula quanto ao volume e superficíe dos lados direito e esquerdo, cruzado e não cruzado, a amostra selecionada foi de 20 indivíduos com mordida cruzada posterior unilateral, com idades entre 06 e 09 anos de idade, utilizando imagens de tomografia computadorizada por feixe cônico, imagens obtidas por um equipamento modelo i- Cat, sendo utilizado na reformatação e manipulação das imagens o programa computacional - NemoCeph 3D® versão 11.5. Nas medições propostas para esse estudo, utilizou-se o teste t pareado de Student para amostras com distribuição normal. Na observação das tabelas e seus respectivos gráficos, podemos verificar que na comparação entre os lados direito e esquerdo, e cruzado e não cruzado das cabeças da mandíbula, com relação ao volume e superfície, existem diferenças numéricas entre elas, porém não pode ser observado diferenças estatísticas significantes, nessa amostra especifica com a metodologia empregada para esse estudo. Assim foi possível concluir que nas Mordidas Cruzadas Posteriores Unilaterais as cabeças da mandíbula tanto em seu volume como em sua superfície não apresentaram diferenças estatisticamente significantes na amostra estudada.

Single photon emission mammography with convergent collimators

Tese de doutoramento, Engenharia Biomédica e Biofísica, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016

Using two dimensional sectional distributions to infer three dimensional volumetric distributions - Validation using tomography

The critical process parameter for mineral separation is the degree of mineral liberation achieved by comminution. The degree of liberation provides an upper limit of efficiency for any physical separation process. The standard approach to measuring mineral liberation uses mineralogical analysis based two-dimensional sections of particles which may be acquired using a scanning electron microscope and back-scatter electron analysis or from an analysis of an image acquired using an optical microscope. Over the last 100 years, mathematical techniques have been developed to use this two dimensional information to infer three-dimensional information about the particles. For mineral processing, a particle that contains more than one mineral (a composite particle) may appear to be liberated (contain only one mineral) when analysed using only its revealed particle section. The mathematical techniques used to interpret three-dimensional information belong, to a branch of mathematics called stereology. However methods to obtain the full mineral liberation distribution of particles from particle sections are relatively new. To verify these adjustment methods, we require an experimental method which can accurately measure both sectional and three dimensional properties. Micro Cone Beam Tomography provides such a method for suitable particles and hence, provides a way to validate methods used to convert two-dimensional measurements to three dimensional estimates. For this study ore particles from a well-characterised sample were subjected to conventional mineralogical analysis (using particle sections) to estimate three-dimensional properties of the particles. A subset of these particles was analysed using a micro-cone beam tomograph. This paper presents a comparison of the three-dimensional properties predicted from measured two-dimensional sections with the measured three-dimensional properties.

EFEITOS ESQUELÉTICOS DA TRAÇÃO REVERSA DA MAXILA UTILIZANDO TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA

Este estudo avaliou os efeitos esqueléticos da tração reversa da maxila utilizando imagens 2D (telerradiografia lateral) geradas a partir da tomografia de feixe cônico (imagens 3D). A amostra foi composta por 20 crianças (15 do gênero feminino, e 5 do masculino), com idade variando de 5,6 a 10,7 anos que apresentavam má-oclusão de Classe III de Angle. A tomografia foi realizada antes do tratamento (T1) e logo após o tratamento (T2). O tratamento foi realizado por meio da tração reversa da maxila utilizando-se o aparelho expansor Hyrax associado à máscara facial individualizada, com força de 600 a 800g de cada lado, durante 14 horas por dia. A correção da relação de caninos em Classe I ou com sua sobrecorreção em Classe II foi obtida após 4 a 8 meses de tratamento. Para verificar o erro sistemático e casual foi utilizado o teste t pareado e a fórmula de Dahlberg, respectivamente. O teste t pareado (p<0,05) mostrou diferença significante entre as medidas cefalométricas obtidas em T1 e T2. Na maxila houve aumento do SNA 2,2°, A-Nperp 1,47mm e em Co-A 2,58mm. Na mandíbula, SNB diminuiu -0,54° e P-Nperp, -1,45mm, enquanto Co-Gn aumentou 1,04mm. Houve melhora na relação maxilo-mandibular ANB 2,74° e Wits 4,23mm. As variáveis GoGn.SN, Gn.SN, FH.Md, Mx.Md, e AFAI aumentaram demonstrando que houve uma rotação da mandíbula no sentido horário. O plano palatino rotacionou no sentido anti-horário. Pode se concluir que o tratamento de tração reversa da maxila na idade precoce promoveu uma melhora na relação maxilo-mandibular devido a um avanço da maxila e um deslocamento da mandíbula para baixo e para trás.

AVALIAÇÃO DAS ALTERAÇÕES DENTOESQUELÉTICAS DECORRENTES DO TRATAMENTO DA MALOCLUSÃO DE CLASSE II COM O APARELHO FORSUS POR MEIO DE TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA

Este estudo teve como objetivo avaliar cefalometricamente as alterações dentoesqueléticas decorrentes do tratamento da maloclusão de Classe II, divisão 1, com o aparelho Forsus®, por meio de Tomografia Computadorizada de Feixe Cônico (TCFC). O grupo avaliado foi composto por 10 pacientes, sendo 7 do sexo masculino e 3 do sexo feminino, com idade média de 16,1 anos, maloclusão com severidade mínima de 1/2 Classe II, trespasse horizontal mínimo de 5 mm, padrão facial meso ou braquifacial. Estes jovens se encontravam no estágio IV ou V de maturação óssea, verificada pelas vértebras cervicais. O tempo de uso do aparelho Forsus foi de 7,16 meses (média), período de avaliação compreendido entre a aquisição da primeira teleradiografia gerada através da TCFC (T1 - pré-Forsus) e da segunda teleradiografia (T2 - pós-Forsus). Para análise estatística foi utilizado o teste-t pareado. Os resultados mostraram um pequeno crescimento mandibular que, juntamente com uma diminuição do SNA levaram a uma melhora da relação maxilomandibular. Houve uma rotação no sentido anti-horário da mandíbula e do plano oclusal no sentido horário. Os incisivos superiores foram retruídos, verticalizados e extruídos e os molares superiores distalizaram por inclinação. Houve vestibularização, protrusão e intrusão dos incisivos inferiores, além de mesialização e extrusão dos molares inferiores. Desta maneira, conclui-se que o aparelho Forsus foi efetivo na correção da maloclusão de Classe II, propiciando maiores alterações dentoalveolares do que esqueléticas.(AU)

AVALIAÇÃO TOMOGRÁFICA DA ANGULAÇÃO DOS PRIMEIROS E SEGUNDOS MOLARES E DO ESPAÇO PARA O TERCEIRO MOLAR SUPERIOR APÓS O USO DO APARELHO FORSUS®.

A presente pesquisa avaliou a angulação mésio-distal e a distalização dos primeiros e dos segundos molares superiores permanentes em pacientes tratados com o aparelho Forsus® em conjunto com o aparelho ortodôntico fixo. A amostra foi composta por 44 teleradiografias, (22 do lado direito e 22 do lado esquerdo), obtidas por meio de 11 tomografias computadorizadas, de 11 pacientes, realizadas em dois tempos: antes (T1) e após (T2) a instalação do aparelho Forsus®, tratados na clínica de Pós-Graduação em Odontologia, área de Ortodontia, da Universidade Metodista de São Paulo. Após a obtenção dos cortes tipo telerradiografia, foi realizada a marcação dos pontos, linhas e planos, e realizada a mensuração das variáveis de interesse. Para avaliação do espaço para os terceiros molares superiores, utilizou-se uma linha referencial (linha PTVR), demarcada a partir do ponto PTV, perpendicular ao plano de Frankfurt. O espaço avaliado compreendeu entre a Linha PTVR, até a face distal do primeiro molar e do segundo superior permanente. Para avaliar o longo eixo dos primeiros e segundos molares superiores, mensurou-se o ângulo formado entre esses dentes e o plano palatino. Para auxílio das mensurações, foi utilizado o software Radiocef Studio 2. Na análise estatística usou-se o teste t pareado. Concluiu-se que houve distalização e aumento da angulação distal dos primeiros e segundos molares superiores, sendo que nos segundos molares a distalização e angulação distal da coroa ocorreram em menor quantidade; os efeitos do lado direito e esquerdo foram semelhantes; pode-se também constatar que ocorreu uma redução na probabilidade de erupção dos terceiros molares superiores.

BENEFÍCIOS DO TRATAMENTO TARDIO DA MÁ OCLUSÃO DE CLASSE II COM OS APARELHOS FORSUS E TWIN FORCE

O objtivo deste estudo pros

AVALIAÇÃO DAS TÁBUAS ÓSSEAS VESTIBULARES E LINGUAIS DOS DENTES ANTERIORES INFERIORES E MOLARES SUPERIORES APÓS O TRATAMENTO COM OS APARELHOS FUNCIONAIS FIXOS FORSUS E TWIN FORCE BITE CORRECTOR

Pelo fato das consequências do uso de aparelhos ortopédicos fixos sobre o periodonto ósseo vestibular e lingual ainda serem uma incógnita para o ortodontista clínico e pesquisador, este estudo teve como objetivo avaliar, por meio de tomografia computadorizada de feixe cônico (TCFC) as alterações em espessura das tábuas ósseas vestibulares e linguais em primeiros molares superiores e incisivos e caninos inferiores, após a utilização de aparelhagem fixa e dos aparelhos Twin Force (grupo A) e Forsus (grupo B) para o tratamento da maloclusão de Classe II, 1ª divisão. Para tanto, obteve-se uma amostra de 22 pacientes jovens adultos, divididos em dois grupos, de acordo com o aparelho propulsor da mandíbula. Grupo experimental A: 11 pacientes, 6 masculinos e 5 femininos, com idade média de 15,09 anos na instalação do Twin Force, e 11 pacientes, 7 masculinos e 4 femininos, com idade média de 15,45 anos na instalação do Forsus. O tempo médio de uso do aparelho Twin Force foi de 3,73 meses e do Forsus, 7,09 meses. O grupo A realizou TCFC antes do início do tratamento (T1), antes da instalação do Twin Force (T2), após a remoção do Twin Force (T3); e o grupo B somente antes da instalação do Forsus (T2) e após a remoção do Forsus (T3). Para comparação entre os tempos T2 e T3 foi utilizado o teste t pareado e entre os tempos T1, T2 e T3 foi utilizada a Análise de Variância (ANOVA) a um critério e o teste post-hoc de Tukey. Para comparação entre os grupos foi utilizado o teste t . Na comparação intergrupos os resultados evidenciaram que não houve diferença estatisticamente significante entre as alterações das espessuras das tábuas ósseas vestibular e lingual; por outro lado, na avaliação intra-grupo, de 48 medidas avaliadas, no grupo A houve reduções estatisticamente significantes nos terços cervical e médio por vestibular, nos dentes anteroinferiores e nos primeiros molares superiores e aumento nos terços cervical e médio, por lingual nos dentes anteriores inferiores, totalizando 25 medidas significantes. Já no grupo B, houve aumento significante da tábua óssea lingual nos dentes anteriores inferiores e redução em vestibular nos molares superiores, totalizando apenas sete medidas significantes, mas com mais medidas significantes de redução óssea vestibular em terços cervical e médio nos primeiros molares superiores, em comparação com o grupo A. Não houve diferença significante entre as medições obtidas com voxel 0,2 mm e 0,4 mm e nem dimorfismo entre os gêneros. As reduções em espessura óssea alveolar, principalmente em terços cervicais e médios vestibulares nos dentes avaliados neste estudo são um alerta ao clínico, para que realize essa abordagem diagnóstica periodontal antes de iniciar o tratamento ortodôntico.

AVALIAÇÃO TOMOGRÁFICA DA INCLINAÇÃO E DAS TÁBUAS ÓSSEAS VESTIBULAR E LINGUAL DE INCISIVOS NO TRATAMENTO DA CLASSE II DIVISÃO 1 COM O APARELHO FORSUS®

O objetivo deste estudo prospectivo foi avaliar os efeitos do aparelho Forsus® nos incisivos centrais superiores e inferiores. A amostra constituiu-se de 22 tomografias computadorizadas de 11 pacientes (sexo masculino e feminino) idade média de 15,8 anos com má oclusão de Classe II que foram tratados com o aparelho Forsus® na clínica do programa de pós-graduação em Odontologia, área de concentração Ortodontia, da Universidade Metodista de São Paulo. As tomografias foram obtidas em dois momentos T1 (final de nivelamento e antes da instalação do Forsus® e T2 (remoção do Forsus®). Para avaliar a distância do ápice até a tábua óssea, as imagens a serem examinadas foram obtidas com o auxílio do viewer do próprio i-CAT® , o iCATVision® e examinadas com o CorelDRAW X5® já para as medidas cefalométricas IMPA e 1.PP as imagens cefalométricas ortogonais foram obtidas em proporção 1:1 com auxílio do software Dolphin 3D® (Dolphin Imaging and Management Solutions, Chatsworth, EUA) e em seguida examinadas com o software Radiocef Studio 2 (Radio Memory, Belo Horizonte, Brasil). Para a obtenção do erro intra-examinador foi feito o teste t de Student pareado para o erro sistemático e a fórmula de DAHLBERG para estimar a ordem de grandeza dos erros casuais e na análise estatística dos resultados utilizou-se: o teste t para a determinação das diferenças entres as fases de observação e o teste de correlação de Pearson para avaliar a correlação entres as alterações. Observou-se: um aumento significativo (p<0,05) tanto no IMPA quanto no 1.PP, aproximação do ápice dos incisivos inferiores da tábua óssea lingual, aproximação do ápice dos incisivos superiores da tábua óssea vestibular, uma correlação negativa muito forte entre o IMPA e a distância do ápice do incisivo até a tábua óssea lingual e uma correlação negativa moderada entre 1.PP e a distância do ápice do incisivo até a tábua óssea vestibular. Sendo assim o aparelho Forsus® no tratamento da Classe II teve como efeito: vestibularização significativa dos incisivos centrais inferiores, uma verticalização significativa dos incisivos centrais superiores, aproximação do ápice dos incisivos inferiores da cortical óssea lingual e aproximação do ápice dos incisivos superiores da cortical óssea vestibular.

Analysis of the scale effect in different computed tomography systems on the evaluation of bone tissue parameters

Tra le patologie ossee attualmente riconosciute, l’osteoporosi ricopre il ruolo di protagonista data le sua diffusione globale e la multifattorialità delle cause che ne provocano la comparsa. Essa è caratterizzata da una diminuzione quantitativa della massa ossea e da alterazioni qualitative della micro-architettura del tessuto osseo con conseguente aumento della fragilità di quest’ultimo e relativo rischio di frattura. In campo medico-scientifico l’imaging con raggi X, in particolare quello tomografico, da decenni offre un ottimo supporto per la caratterizzazione ossea; nello specifico la microtomografia, definita attualmente come “gold-standard” data la sua elevata risoluzione spaziale, fornisce preziose indicazioni sulla struttura trabecolare e corticale del tessuto. Tuttavia la micro-CT è applicabile solo in-vitro, per cui l’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di verificare se e in che modo una diversa metodica di imaging, quale la cone-beam CT (applicabile invece in-vivo), possa fornire analoghi risultati, pur essendo caratterizzata da risoluzioni spaziali più basse. L’elaborazione delle immagini tomografiche, finalizzata all’analisi dei più importanti parametri morfostrutturali del tessuto osseo, prevede la segmentazione delle stesse con la definizione di una soglia ad hoc. I risultati ottenuti nel corso della tesi, svolta presso il Laboratorio di Tecnologia Medica dell’Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna, mostrano una buona correlazione tra le due metodiche quando si analizzano campioni definiti “ideali”, poiché caratterizzati da piccole porzioni di tessuto osseo di un solo tipo (trabecolare o corticale), incluso in PMMA, e si utilizza una soglia fissa per la segmentazione delle immagini. Diversamente, in casi “reali” (vertebre umane scansionate in aria) la stessa correlazione non è definita e in particolare è da escludere l’utilizzo di una soglia fissa per la segmentazione delle immagini.

Prospective Estimation of Radiation Dose and Image Quality for Optimized CT Performance

X-ray computed tomography (CT) is a non-invasive medical imaging technique that generates cross-sectional images by acquiring attenuation-based projection measurements at multiple angles. Since its first introduction in the 1970s, substantial technical improvements have led to the expanding use of CT in clinical examinations. CT has become an indispensable imaging modality for the diagnosis of a wide array of diseases in both pediatric and adult populations [1, 2]. Currently, approximately 272 million CT examinations are performed annually worldwide, with nearly 85 million of these in the United States alone [3]. Although this trend has decelerated in recent years, CT usage is still expected to increase mainly due to advanced technologies such as multi-energy [4], photon counting [5], and cone-beam CT [6].

Despite the significant clinical benefits, concerns have been raised regarding the population-based radiation dose associated with CT examinations [7]. From 1980 to 2006, the effective dose from medical diagnostic procedures rose six-fold, with CT contributing to almost half of the total dose from medical exposure [8]. For each patient, the risk associated with a single CT examination is likely to be minimal. However, the relatively large population-based radiation level has led to enormous efforts among the community to manage and optimize the CT dose.

As promoted by the international campaigns Image Gently and Image Wisely, exposure to CT radiation should be appropriate and safe [9, 10]. It is thus a responsibility to optimize the amount of radiation dose for CT examinations. The key for dose optimization is to determine the minimum amount of radiation dose that achieves the targeted image quality [11]. Based on such principle, dose optimization would significantly benefit from effective metrics to characterize radiation dose and image quality for a CT exam. Moreover, if accurate predictions of the radiation dose and image quality were possible before the initiation of the exam, it would be feasible to personalize it by adjusting the scanning parameters to achieve a desired level of image quality. The purpose of this thesis is to design and validate models to quantify patient-specific radiation dose prospectively and task-based image quality. The dual aim of the study is to implement the theoretical models into clinical practice by developing an organ-based dose monitoring system and an image-based noise addition software for protocol optimization.

More specifically, Chapter 3 aims to develop an organ dose-prediction method for CT examinations of the body under constant tube current condition. The study effectively modeled the anatomical diversity and complexity using a large number of patient models with representative age, size, and gender distribution. The dependence of organ dose coefficients on patient size and scanner models was further evaluated. Distinct from prior work, these studies use the largest number of patient models to date with representative age, weight percentile, and body mass index (BMI) range.

With effective quantification of organ dose under constant tube current condition, Chapter 4 aims to extend the organ dose prediction system to tube current modulated (TCM) CT examinations. The prediction, applied to chest and abdominopelvic exams, was achieved by combining a convolution-based estimation technique that quantifies the radiation field, a TCM scheme that emulates modulation profiles from major CT vendors, and a library of computational phantoms with representative sizes, ages, and genders. The prospective quantification model is validated by comparing the predicted organ dose with the dose estimated based on Monte Carlo simulations with TCM function explicitly modeled.

Chapter 5 aims to implement the organ dose-estimation framework in clinical practice to develop an organ dose-monitoring program based on a commercial software (Dose Watch, GE Healthcare, Waukesha, WI). In the first phase of the study we focused on body CT examinations, and so the patient’s major body landmark information was extracted from the patient scout image in order to match clinical patients against a computational phantom in the library. The organ dose coefficients were estimated based on CT protocol and patient size as reported in Chapter 3. The exam CTDIvol, DLP, and TCM profiles were extracted and used to quantify the radiation field using the convolution technique proposed in Chapter 4.

With effective methods to predict and monitor organ dose, Chapters 6 aims to develop and validate improved measurement techniques for image quality assessment. Chapter 6 outlines the method that was developed to assess and predict quantum noise in clinical body CT images. Compared with previous phantom-based studies, this study accurately assessed the quantum noise in clinical images and further validated the correspondence between phantom-based measurements and the expected clinical image quality as a function of patient size and scanner attributes.

Chapter 7 aims to develop a practical strategy to generate hybrid CT images and assess the impact of dose reduction on diagnostic confidence for the diagnosis of acute pancreatitis. The general strategy is (1) to simulate synthetic CT images at multiple reduced-dose levels from clinical datasets using an image-based noise addition technique; (2) to develop quantitative and observer-based methods to validate the realism of simulated low-dose images; (3) to perform multi-reader observer studies on the low-dose image series to assess the impact of dose reduction on the diagnostic confidence for multiple diagnostic tasks; and (4) to determine the dose operating point for clinical CT examinations based on the minimum diagnostic performance to achieve protocol optimization.

Chapter 8 concludes the thesis with a summary of accomplished work and a discussion about future research.

Gold nanoparticle induced vasculature damage in radiotherapy: Comparing protons, megavoltage photons, and kilovoltage photons

Purpose: The purpose of this work is to investigate the radiosensitizing effect of gold nanoparticle (GNP) induced vasculature damage for proton, megavoltage (MV) photon, and kilovoltage (kV) photon irradiation. Methods: Monte Carlo simulations were carried out using tool for particle simulation (TOPAS) to obtain the spatial dose distribution in close proximity up to 20 µm from the GNPs. The spatial dose distribution from GNPs was used as an input to calculate the dose deposited to the blood vessels. GNP induced vasculature damage was evaluated for three particle sources (a clinical spread out Bragg peak proton beam, a 6 MV photon beam, and two kV photon beams). For each particle source, various depths in tissue, GNP sizes (2, 10, and 20 nm diameter), and vessel diameters (8, 14, and 20 µm) were investigated. Two GNP distributions in lumen were considered, either homogeneously distributed in the vessel or attached to the inner wall of the vessel. Doses of 30 Gy and 2 Gy were considered, representing typical in vivo enhancement studies and conventional clinical fractionation, respectively. Results: These simulations showed that for 20 Au-mg/g GNP blood concentration homogeneously distributed in the vessel, the additional dose at the inner vascular wall encircling the lumen was 43% of the prescribed dose at the depth of treatment for the 250 kVp photon source, 1% for the 6 MV photon source, and 0.1% for the proton beam. For kV photons, GNPs caused 15% more dose in the vascular wall for 150 kVp source than for 250 kVp. For 6 MV photons, GNPs caused 0.2% more dose in the vascular wall at 20 cm depth in water as compared to at depth of maximum dose (Dmax). For proton therapy, GNPs caused the same dose in the vascular wall for all depths across the spread out Bragg peak with 12.7 cm range and 7 cm modulation. For the same weight of GNPs in the vessel, 2 nm diameter GNPs caused three times more damage to the vessel than 20 nm diameter GNPs. When the GNPs were attached to the inner vascular wall, the damage to the inner vascular wall can be up to 207% of the prescribed dose for the 250 kVp photon source, 4% for the 6 MV photon source, and 2% for the proton beam. Even though the average dose increase from the proton beam and MV photon beam was not large, there were high dose spikes that elevate the local dose of the parts of the blood vessel to be higher than 15 Gy even for 2 Gy prescribed dose, especially when the GNPs can be actively targeted to the endothelial cells. Conclusions: GNPs can potentially be used to enhance radiation therapy by causing vasculature damage through high dose spikes caused by the addition of GNPs especially for hypofractionated treatment. If GNPs are designed to actively accumulate at the tumor vasculature walls, vasculature damage can be increased significantly. The largest enhancement is seen using kilovoltage photons due to the photoelectric effect. Although no significant average dose enhancement was observed for the whole vasculature structure for both MV photons and protons, they can cause high local dose escalation (>15 Gy) to areas of the blood vessel that can potentially contribute to the disruption of the functionality of the blood vessels in the tumor.

Evaluating deviations in prostatectomy patients treated with IMRT

Aim - To evaluate the deviations in prostatectomy patients treated with IMRT in order to calculate appropriate margins to create the PTV. Background - Defining inappropriate margins can lead to underdosing in target volumes and also overdosing in healthy tissues, increasing morbidity. Material and methods - 223 CBCT images used for alignment with the CT planning scan based on bony anatomy were analyzed in 12 patients treated with IMRT following prostatectomy. Shifts of CBCT images were recorded in three directions to calculate the required margin to create PTV. Results and discussion - The mean and standard deviation (SD) values in millimetres were −0.05 ± 1.35 in the LR direction, −0.03 ± 0.65 in the SI direction and −0.02 ± 2.05 the AP direction. The systematic error measured in the LR, SI and AP direction were 1.35 mm, 0.65 mm, and 2.05 mm with a random error of 2.07 mm; 1.45 mm and 3.16 mm, resulting in a PTV margin of 4.82 mm; 2.64 mm, and 7.33 mm, respectively. Conclusion - With IGRT we suggest a margin of 5 mm, 3 mm and 8 mm in the LR, SI and AP direction, respectively, to PTV1 and PTV2. Therefore, this study supports an anisotropic margin expansion to the PTV being the largest expansion in the AP direction and lower in SI.