Commissioning de um sistema de planimetria computorizado de Monte Carlo comercial para radioterapia

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

Medição e cálculo, utilizando simulações Monte Carlo, das doses em exames de tomografia computorizada

Tese Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica

Implementação de um sistema para simulação por Monte Carlo da passagem de fotões através do olho humano mediante a utilização da plataforma GEANT4 - I

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Implementação de um sistema para simulação por Monte Carlo da passagem de fotões através do olho humano mediante a utilização da plataforma GEANT4 – II

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Simulações Monte Carlo da redução da dose no cristalino e na tiroide em exames de tomografia computorizada utilizando proteções de bismuto

A presente dissertação foi desenvolvida com colaboração do Campus Tecnológico e Nuclear e do Hospital de São José

Probabilistic constraint reasoning with Monte Carlo integration to robot localization

This work studies the combination of safe and probabilistic reasoning through the hybridization of Monte Carlo integration techniques with continuous constraint programming. In continuous constraint programming there are variables ranging over continuous domains (represented as intervals) together with constraints over them (relations between variables) and the goal is to find values for those variables that satisfy all the constraints (consistent scenarios). Constraint programming “branch-and-prune” algorithms produce safe enclosures of all consistent scenarios. Special proposed algorithms for probabilistic constraint reasoning compute the probability of sets of consistent scenarios which imply the calculation of an integral over these sets (quadrature). In this work we propose to extend the “branch-and-prune” algorithms with Monte Carlo integration techniques to compute such probabilities. This approach can be useful in robotics for localization problems. Traditional approaches are based on probabilistic techniques that search the most likely scenario, which may not satisfy the model constraints. We show how to apply our approach in order to cope with this problem and provide functionality in real time.

Monte Carlo valuation of worst-of auto-callable equity swaps

This thesis proposes a Monte Carlo valuation method for Worst-of Auto-callable equity swaps. The valuation of this type of swap usually requires complex numerical methods which are implemented in “black-box” valuation systems. The method proposed is an alternative benchmark tool that is relatively simple to implement and customize. The performance of the method was evaluated according to the variance and bias of the output and to the accuracy when compared to a leading valuation system in the market.

Parallelization of kinetic Monte Carlo algorithm to simulate AL3Sc precipitation

The present paper reports the precipitation process of Al3Sc structures in an aluminum scandium alloy, which has been simulated with a synchronous parallel kinetic Monte Carlo (spkMC) algorithm. The spkMC implementation is based on the vacancy diffusion mechanism. To filter the raw data generated by the spkMC simulations, the density-based clustering with noise (DBSCAN) method has been employed. spkMC and DBSCAN algorithms were implemented in the C language and using MPI library. The simulations were conducted in the SeARCH cluster located at the University of Minho. The Al3Sc precipitation was successfully simulated at the atomistic scale with the spkMC. DBSCAN proved to be a valuable aid to identify the precipitates by performing a cluster analysis of the simulation results. The achieved simulations results are in good agreement with those reported in the literature under sequential kinetic Monte Carlo simulations (kMC). The parallel implementation of kMC has provided a 4x speedup over the sequential version.

Influência das características mamárias na cintilografia miocárdica pelo método Monte Carlo

FUNDAMENTO: Pela redução da especificidade associada à perda de informação, a influência da atenuação das mamas é de fundamental importância em estudos de perfusão do miocárdio. Entretanto, apesar de vários estudos terem sido realizados ao longo dos últimos anos, pouco se tem evoluído para determinar com acurácia a influência das características das mamas sobre a qualidade da cintilografia miocárdica, evitando exposições adicionais de radiação às pacientes. OBJETIVO: O objetivo deste estudo é quantificar a atenuação de fótons pelas mamas, em estudos de perfusão do miocárdio com 99mTc, de acordo com diferentes tamanhos e composições. MÉTODOS: Cada mama foi assumida como sendo um cubo composto de tecido adiposo e fibroglandular. Os dados referentes aos fótons de 99mTc foram analisados em um modelo de Monte Carlo. Variamos a espessura e a composição das mamas e analisamos as interferências na atenuação. Foi empregado o software EGS 4 para as simulações. RESULTADOS: Fixando a espessura de uma mama, a variação da sua composição acarreta um acréscimo máximo de 2,3% no número de fótons atenuados. Em contrapartida, mantendo-se uma composição do tecido mamário fixa, a diferença na atenuação de fótons foi de 45,0%, sendo em média de 6,0% para cada acréscimo de centímetro na espessura da mama. CONCLUSÃO: A simulação por Monte Carlo demonstrou que a influência das espessuras das mamas na atenuação de fótons em cintilografias do miocárdio com 99mTc é muito maior do que a influência das suas composições.

The Analysis of interval censoring and double censoring via Markov chain Monte Carlo methods

L'Anàlisi de la supervivència s'utilitza en diferents camps per analitzar el temps transcorregut entre dos esdeveniments. El que distingeix l'anàlisi de la supervivència d'altres àrees de l'estadística és que les dades normalment estan censurades. La censura en un interval apareix quan l'esdeveniment final d'interès no és directament observable i només se sap que el temps de fallada està en un interval concret. Un esquema de censura més complex encara apareix quan tant el temps inicial com el temps final estan censurats en un interval. Aquesta situació s'anomena doble censura. En aquest article donem una descripció formal d'un mètode bayesà paramètric per a l'anàlisi de dades censurades en un interval i dades doblement censurades així com unes indicacions clares de la seva utilització o pràctica. La metodologia proposada s'ilustra amb dades d'una cohort de pacients hemofílics que es varen infectar amb el virus VIH a principis dels anys 1980's.

Simulación Monte Carlo de las dosis en tumores de pulmón en tratamientos de radioterapia estereotáxica extracraneal

Estudio elaborado a partir de una estancia en el Karolinska University Hospital, Suecia, entre marzo y junio del 2006. En la radioterapia estereotáxica extracraneal (SBRT) de tumores de pulmón existen principalmente dos problemas en el cálculo de la dosis con los sistemas de planificación disponibles: la precisión limitada de los algoritmos de cálculo en presencia de tejidos con densidades muy diferentes y los movimientos debidos a la respiración del paciente durante el tratamiento. El objetivo de este trabajo ha sido llevar a cabo la simulación con el código Monte Carlo PENELOPE de la distribución de dosis en tumores de pulmón en casos representativos de tratamientos con SBRT teniendo en cuenta los movimientos respiratorios y su comparación con los resultados de varios planificadores. Se han estudiado casos representativos de tratamientos de SBRT en el Karolinska University Hospital. Los haces de radiación se han simulado mediante el código PENELOPE y se han usado para la obtención de los resultados MC de perfiles de dosis. Los resultados obtenidos para el caso estático (sin movimiento respiratorio ) ponen de manifiesto que, en comparación con la MC, la dosis (Gy/MU) calculada por los planificadores en el tumor tiene una precisión del 2-3%. En la zona de interfase entre tumor y tejido pulmonar los planificadores basados en el algoritmo PB sobrestiman la dosis en un 10%, mientras que el algoritmo CC la subestima en un 3-4%. Los resultados de la simulación mediante MC de los movimientos respiratorios indican que los resultados de los planificadores son suficientemente precisos en el tumor, aunque en la interfase hay una mayor subestimación de la dosis en comparación con el caso estático. Estos resultados son compatibles con la experiencia clínica adquirida durante 15 años en el Karolinska University Hospital. Los resultados se han publicado en la revista Acta Oncologica.

Evaluation of organ-specific peripheral doses after 2-dimensional, 3-dimensional and hybrid intensity modulated radiation therapy for breast cancer based on Monte Carlo and convolution/superposition algorithms: implications for secondary cancer risk assessment.

To make a comprehensive evaluation of organ-specific out-of-field doses using Monte Carlo (MC) simulations for different breast cancer irradiation techniques and to compare results with a commercial treatment planning system (TPS). Three breast radiotherapy techniques using 6MV tangential photon beams were compared: (a) 2DRT (open rectangular fields), (b) 3DCRT (conformal wedged fields), and (c) hybrid IMRT (open conformal+modulated fields). Over 35 organs were contoured in a whole-body CT scan and organ-specific dose distributions were determined with MC and the TPS. Large differences in out-of-field doses were observed between MC and TPS calculations, even for organs close to the target volume such as the heart, the lungs and the contralateral breast (up to 70% difference). MC simulations showed that a large fraction of the out-of-field dose comes from the out-of-field head scatter fluence (>40%) which is not adequately modeled by the TPS. Based on MC simulations, the 3DCRT technique using external wedges yielded significantly higher doses (up to a factor 4-5 in the pelvis) than the 2DRT and the hybrid IMRT techniques which yielded similar out-of-field doses. In sharp contrast to popular belief, the IMRT technique investigated here does not increase the out-of-field dose compared to conventional techniques and may offer the most optimal plan. The 3DCRT technique with external wedges yields the largest out-of-field doses. For accurate out-of-field dose assessment, a commercial TPS should not be used, even for organs near the target volume (contralateral breast, lungs, heart).

Estimation of the probability of congestion using Monte Carlo method in OPS networks

In networks with small buffers, such as optical packet switching based networks, the convolution approach is presented as one of the most accurate method used for the connection admission control. Admission control and resource management have been addressed in other works oriented to bursty traffic and ATM. This paper focuses on heterogeneous traffic in OPS based networks. Using heterogeneous traffic and bufferless networks the enhanced convolution approach is a good solution. However, both methods (CA and ECA) present a high computational cost for high number of connections. Two new mechanisms (UMCA and ISCA) based on Monte Carlo method are proposed to overcome this drawback. Simulation results show that our proposals achieve lower computational cost compared to enhanced convolution approach with an small stochastic error in the probability estimation