Surgical correction of scoliosis: Numerical analysis and optimization of the procedure

A previously developed model is used to numerically simulate real clinical cases of the surgical correction of scoliosis. This model consists of one-dimensional finite elements with spatial deformation in which (i) the column is represented by its axis; (ii) the vertebrae are assumed to be rigid; and (iii) the deformability of the column is concentrated in springs that connect the successive rigid elements. The metallic rods used for the surgical correction are modeled by beam elements with linear elastic behavior. To obtain the forces at the connections between the metallic rods and the vertebrae geometrically, non-linear finite element analyses are performed. The tightening sequence determines the magnitude of the forces applied to the patient column, and it is desirable to keep those forces as small as possible. In this study, a Genetic Algorithm optimization is applied to this model in order to determine the sequence that minimizes the corrective forces applied during the surgery. This amounts to find the optimal permutation of integers 1, ... , n, n being the number of vertebrae involved. As such, we are faced with a combinatorial optimization problem isomorph to the Traveling Salesman Problem. The fitness evaluation requires one computing intensive Finite Element Analysis per candidate solution and, thus, a parallel implementation of the Genetic Algorithm is developed.

Fluorescence Microscopy Imaging Denoising with Log-Euclidean Priors and Photobleaching Compensation

Fluorescent protein microscopy imaging is nowadays one of the most important tools in biomedical research. However, the resulting images present a low signal to noise ratio and a time intensity decay due to the photobleaching effect. This phenomenon is a consequence of the decreasing on the radiation emission efficiency of the tagging protein. This occurs because the fluorophore permanently loses its ability to fluoresce, due to photochemical reactions induced by the incident light. The Poisson multiplicative noise that corrupts these images, in addition with its quality degradation due to photobleaching, make long time biological observation processes very difficult. In this paper a denoising algorithm for Poisson data, where the photobleaching effect is explicitly taken into account, is described. The algorithm is designed in a Bayesian framework where the data fidelity term models the Poisson noise generation process as well as the exponential intensity decay caused by the photobleaching. The prior term is conceived with Gibbs priors and log-Euclidean potential functions, suitable to cope with the positivity constrained nature of the parameters to be estimated. Monte Carlo tests with synthetic data are presented to characterize the performance of the algorithm. One example with real data is included to illustrate its application.

Active and passive behaviors of soft tissues: Pelvic floor muscles

: A new active-contraction visco-elastic numerical model of the pelvic floor (skeletal) muscle is presented. Our model includes all elements that represent the muscle constitutive behavior, contraction and relaxation. In contrast with the previous models, the activation function can be null. The complete equations are shown and exactly linearized. Small verification and validation tests are performed and the pelvis is modeled using the data from the intra-abdominal pressure tests

Radiological imaging in digital systems: the effect of exposure parameters in diagnostic quality and patient dose

Esta tese pretende contribuir para o estudo e análise dos factores relacionados com as técnicas de aquisição de imagens radiológicas digitais, a qualidade diagnóstica e a gestão da dose de radiação em sistema de radiologia digital. A metodologia encontra-se organizada em duas componentes. A componente observacional, baseada num desenho do estudo de natureza retrospectiva e transversal. Os dados recolhidos a partir de sistemas CR e DR permitiram a avaliação dos parâmetros técnicos de exposição utilizados em radiologia digital, a avaliação da dose absorvida e o índice de exposição no detector. No contexto desta classificação metodológica (retrospectiva e transversal), também foi possível desenvolver estudos da qualidade diagnóstica em sistemas digitais: estudos de observadores a partir de imagens arquivadas no sistema PACS. A componente experimental da tese baseou-se na realização de experiências em fantomas para avaliar a relação entre dose e qualidade de imagem. As experiências efectuadas permitiram caracterizar as propriedades físicas dos sistemas de radiologia digital, através da manipulação das variáveis relacionadas com os parâmetros de exposição e a avaliação da influência destas na dose e na qualidade da imagem. Utilizando um fantoma contraste de detalhe, fantomas antropomórficos e um fantoma de osso animal, foi possível objectivar medidas de quantificação da qualidade diagnóstica e medidas de detectabilidade de objectos. Da investigação efectuada, foi possível salientar algumas conclusões. As medidas quantitativas referentes à performance dos detectores são a base do processo de optimização, permitindo a medição e a determinação dos parâmetros físicos dos sistemas de radiologia digital. Os parâmetros de exposição utilizados na prática clínica mostram que a prática não está em conformidade com o referencial Europeu. Verifica-se a necessidade de avaliar, melhorar e implementar um padrão de referência para o processo de optimização, através de novos referenciais de boa prática ajustados aos sistemas digitais. Os parâmetros de exposição influenciam a dose no paciente, mas a percepção da qualidade de imagem digital não parece afectada com a variação da exposição. Os estudos que se realizaram envolvendo tanto imagens de fantomas como imagens de pacientes mostram que a sobreexposição é um risco potencial em radiologia digital. A avaliação da qualidade diagnóstica das imagens mostrou que com a variação da exposição não se observou degradação substancial da qualidade das imagens quando a redução de dose é efectuada. Propõe-se o estudo e a implementação de novos níveis de referência de diagnóstico ajustados aos sistemas de radiologia digital. Como contributo da tese, é proposto um modelo (STDI) para a optimização de sistemas de radiologia digital.

Risco e incerteza no pensamento biomédico: notas teóricas sobre o advento da quantificação e da prova experimental na medicina moderna

A biomedicina é um domínio do saber no qual a proliferação do conceito de risco se tem evidenciado de forma expressiva, o que revela uma preocupação em proceder ao controlo sistemático dos problemas através de um modelo de racionalização instrumental. Tal procedimento é elucidativo do investimento que é feito na interpretação das incertezas como riscos. Consequentemente, a dimensão estatística que lhe está associada é cada vez mais um dos principais traços do seu perfil científico. Biomedicine is a field where the concept of risk has shown an impressive increase in its importance. This fact demonstrates a concern with a systematic problem control through an instrumental rationalizing model, expressing eloquently the investment being made in interpreting uncertainty as risk and the consequent statistical dimension as an ever-more quintessential feature of its scientific profile.

Tuning Iris Recognition for Noisy Images

The use of iris recognition for human authentication has been spreading in the past years. Daugman has proposed a method for iris recognition, composed by four stages: segmentation, normalization, feature extraction, and matching. In this paper we propose some modifications and extensions to Daugman's method to cope with noisy images. These modifications are proposed after a study of images of CASIA and UBIRIS databases. The major modification is on the computationally demanding segmentation stage, for which we propose a faster and equally accurate template matching approach. The extensions on the algorithm address the important issue of pre-processing that depends on the image database, being mandatory when we have a non infra-red camera, like a typical WebCam. For this scenario, we propose methods for reflection removal and pupil enhancement and isolation. The tests, carried out by our C# application on grayscale CASIA and UBIRIS images show that the template matching segmentation method is more accurate and faster than the previous one, for noisy images. The proposed algorithms are found to be efficient and necessary when we deal with non infra-red images and non uniform illumination.

Identificação dos parâmetros técnicos de exposição em exames radiológicos convencionais na região de Lisboa: uma comparação com a referência europeia

Em Portugal não são conhecidos estudos publicados que identifiquem com clareza as distribuições típicas dos valores associados aos parâmetros técnicos de exposição utilizados nos exames radiológicos mais comuns. Este estudo tem como objectivos identificar os parâmetros técnicos utilizados em exames radiológicos convencionais na região de Lisboa e comparar os dados com a referência europeia CEC. Os resultados obtidos evidenciam que nas projecções estudadas existe uma predominância para o uso de termos de exposição acima da recomendação CEC e de valores de potencial da ampola (kV) abaixo da recomendação. Esta investigação sugere a necessidade de fixar os NRD nacionais, e/ou locais, e efectuar as respectivas medições, dado que a optimização da exposição é um mecanismo de controlo fundamental para limitar as exposições desnecessárias dos pacientes às radiações ionizantes. Conclui-se que a nível local (região da Grande Lisboa) existe um desconhecimento da prática radiológica enquadrada nos referenciais europeus de boa prática radiológica. Desconhecendo-se a situação a nível nacional, sugerem-se estudos no sentido de identificar os padrões de prática radiológica a nível do País e de promover a optimização dos procedimentos em radiologia convencional. ABSTRACT - Typical distribution of exposure parameters in plain radiography is unknown in Portugal. This study aims to identify exposure parameters that are being used in plain radiography in Lisbon area and to compare collected data with European references (CEC guidelines). Results show that in the four anatomic regions there is a strong tendency of using exposure times above the European recommendation. We also found that x-ray tube potential values (kV) are below the recommended values from CEC guidelines. This study shows that at a local level (Lisbon region) radiographic practice does not fit with CEC guidelines concerning exposure techniques. We suggest continuing national/local studies with the objective to improve exposure optimization and technical procedures in plain radiography. This study also suggests the need to establish national/local DRL’s and to proceed to effective measurements for exposure optimization.

In vitro toxicity screening of silica-coated superparamagnetic iron oxide nanoparticles in glial cells

Nanotechnology industry is progressing with prospects of substantial benefits to economics and science. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (ION) have been showing excellent magnetic properties, biocompatibility and biodegradability, broadening their potential applications and importance in the biomedical field

Modalidades síncronas e assíncronas no ensino da radiologia do sistema nervoso: estilos e resultados de aprendizagem

Lidar com as problemáticas da saúde, implica um domínio dos processos cognitivos (raciocínio, resolução de problemas e tomada de decisão) e de desempenhos práticos, o que obriga a afectação de um conjunto de atitudes e comportamentos específicos. Este estudo, implementou e avaliou o impacto de experiências pedagógicas desenvolvidas com os estudantes da unidade curricular Radiologia do Sistema Nervoso (RSN) da Escola Superior de Tecnologia da Saúde de Lisboa (ESTeSL). Aplicaram-se metodologias de ensino mistas (presenciais e virtuais) utilizadas na leccionação teórica e prática no ano curricular 2008/2009. Para a avaliação do perfil de aprendizagem dos estudantes foi aplicado o método de Honey & Munford e para a avaliação e monitorização dos conhecimentos aplicaram-se check list baseadas nos conteúdos programáticos. A monitorização das ferramentas da plataforma moodle complementaram a restante informação. Verificou-se uma progressão de aprendizagem positiva para um grupo de estudantes maioritariamente do estilo reflexivo (média=10,6 estudantes). As conclusões apontaram para um impacto positivo quanto à aplicação das metodologias híbridas com maior índice de sucesso para a metodologia assíncrona. Verificou-se também mais flexibilidade no acesso aos conteúdos porém com algumas limitações tais como residência inicial por parte dos estudantes, maior carga de trabalho para os docentes, falta de terminais para acesso à plataforma e pouca experiência de todos os envolvidos no domínio e manipulação da plataforma. ABSTRACT - This study focused on the role of cognitive processes (reasoning, problem solving and decision making) and performance practice in the formation of attitudes and behaviours relating to health issues. It was conducted to evaluate the effects of pedagogical experiences on students who participated in the course in radiography in the Nervous System Imaging Unit (RSN) of the Lisbon Health School of Technology. Mixed (face-to-face and virtual) teaching methodologies were used in theory and practice sessions. Honey and Munford’s method was used to evaluate the learning profile of students. To monitor and evaluate students’ knowledge acquisition, check lists based on program topics were applied. Other information was supplied through the learning platform of Moodle. The student group with mostly a reflective learning style increased their knowledge. The asynchronous method was shown to produce a higher success rate and more flexibility in accessing content but also registered some limitations such as resistance by students, increased workload for teachers, lack of access to the platform and inexperience of all involved in handling the platform.

Caracterização tecnológica da mamografia digital em Portugal: progresso de um projeto em implementação

Introdução – A mamografia é o principal método de diagnóstico por imagem utilizado no rastreio e diagnóstico do cancro da mama, sendo a modalidade de imagem recomendada em vários países da Europa e Estados Unidos para utilização em programas de rastreio. A implementação da tecnologia digital causou alterações na prática da mamografia, nomeadamente a necessidade de adaptar os programas de controlo de qualidade. Objetivos – Caracterizar a tecnologia instalada para mamografia em Portugal e as práticas adotadas na sua utilização pelos profissionais de saúde envolvidos. Concluir sobre o nível de harmonização das práticas em mamografia em Portugal e a conformidade com as recomendações internacionais. Identificar oportunidades para otimização que permitam assegurar a utilização eficaz e segura da tecnologia. Metodologia – Pesquisa e recolha de dados sobre a tecnologia instalada, fornecidos por fontes governamentais, prestadores de serviços de mamografia e indústria. Construção de três questionários, orientados ao perfil do médico radiologista, técnico de radiologia com atividade em mamografia digital e técnico de radiologia coordenador. Os questionários foram aplicados em 65 prestadores de serviços de mamografia selecionados com base em critérios de localização geográfica, tipo de tecnologia instalada e perfil da instituição. Resultados – Foram identificados 441 sistemas para mamografia em Portugal. A tecnologia mais frequente (62%) e vulgarmente conhecida por radiografia computorizada (computed radiography) é constituída por um detector (image plate) de material fotoestimulável inserido numa cassete de suporte e por um sistema de processamento ótico. A maioria destes sistemas (78%) está instalada em prestadores privados. Aproximadamente 12% dos equipamentos instalados são sistemas para radiografia digital direta (Direct Digital Radiography – DDR). Os critérios para seleção dos parâmetros técnicos de exposição variam, observando-se que em 65% das instituições são adotadas as recomendações dos fabricantes do equipamento. As ferramentas de pós-processamento mais usadas pelos médicos radiologistas são o ajuste do contraste e brilho e magnificação total e/ou localizada da imagem. Quinze instituições (em 19) têm implementado um programa de controlo de qualidade. Conclusões – Portugal apresenta um parque de equipamentos heterogéneo que inclui tecnologia obsoleta e tecnologia “topo de gama”. As recomendações/guidelines (europeias ou americanas) não são adotadas formalmente na maioria das instituições como guia para fundamentação das práticas em mamografia, dominando as recomendações dos fabricantes do equipamento. Foram identificadas, pelos técnicos de radiologia e médicos radiologistas, carências de formação especializada, nomeadamente nas temáticas da intervenção mamária, otimização da dose e controlo da qualidade. A maioria dos inquiridos concorda com a necessidade de certificação da prática da mamografia em Portugal e participaria num programa voluntário. ABSTRACT - Introduction – Mammography is the gold standard for screening and imaging diagnosis of breast disease. It is the imaging modality recommended by screening programs in various countries in Europe and the United States. The implementation of the digital technology promoted changes in mammography practice and triggered the need to adjust quality control programs. Aims –Characterize the technology for mammography installed in Portugal. Assess practice in use in mammography and its harmonization and compliance to international guidelines. Identify optimization needs to promote an effective and efficient use of digital mammography to full potential. Methodology – Literature review was performed. Data was collected from official sources (governmental bodies, mammography healthcare providers and medical imaging industry) regarding the number and specifications of mammography equipment installed in Portugal. Three questionnaires targeted at radiologists, breast radiographers and the chief-radiographer were designed for data collection on the technical and clinical practices in mammography. The questionnaires were delivered in a sample of 65 mammography providers selected according to geographical criteria, type of technology and institution profile. Results – Results revealed 441 mammography systems installed in Portugal. The most frequent (62%) technology type are computerized systems (CR) mostly installed in the private sector (78%). 12% are direct radiography systems (DDR). The criteria for selection of the exposure parameters differ between the institutions with the majority (65%) following the recommendations from the manufacturers. The use of available tools for post-processing is limited being the most frequently reported tools used the contrast/ brightness and Zoom or Pan Magnification tools. Fifteen participant institutions (out of 19) have implemented a quality control programme. Conclusions – The technology for mammography in Portugal is heterogeneous and includes both obsolete and state of the art equipment. International guidelines (European or American) are not formally implemented and the manufacturer recommendations are the most frequently used guidance. Education and training needs were identified amongst the healthcare professionals (radiologists and radiographers) with focus in the areas of mammography intervention, patient dose optimization and quality control. The majority of the participants agree with the certification of mammography in Portugal.

Technical considerations concerning digital technologies

This chapter addresses technical issues concerning digital technologies. Radiological equipment and technique are briefly introduced together with a discussion about requirements and advantages of digital technologies. Digital technologies offer several advantages when compared to conventional analogical systems, or screen–film (SF) systems. While in clinical practice the practitioners should be aware of technical factors such as image acquisition, management of patient dose, and diagnostic image quality. Thus, digital technologies require an up-to-date scientific knowledge concerning their use in projection radiography. In this chapter, technical considerations concerning digital technologies are provided.

Assessment of patient dose in digital systems

The assessment of patient dose has gained increased attention, still being an issue of concern that arises from the use of digital systems. The development of digital technology offers the possibility for a reduction of radiation dose around 50% without loss in image quality when compared to a conventional screen–film system. Digital systems give an equivalent or superior diagnostic performance and also several other advantages, but the risk of overexposure with no adverse effect on image quality could be present. This chapter refers to the management of patient dose and provides an explanation of dose-related concepts. In this chapter, exposure influence in dose and image representation and the effects of radiation exposure are also discussed.

Image quality in diagnostic radiology

This chapter provides a theoretical background about image quality in diagnostic radiology. Digital image representation and also image quality evaluation methods are here discussed. An overview of methods for quality evaluation of diagnostic imaging procedures is provided. Digital image representation and primary physical image quality parameters are also discussed, including objective image quality measurements and observer performance methods.

Practical insights into digital radiology

Digital radiography detectors—based on different technological solutions—are currently available for clinical applications and widespread in clinical practice. Computed radiography (CR) and digital radiology systems have been available for clinical applications and the trend over the last few years has become digital. Radiology departments have been changing from traditional screen–film technology to digital technology. This chapter is intended to give the reader a practical understanding about the key aspects concerning digital systems, related to the performance of different technologies, image quality, and dose and patient safety/protection. The discussion around an optimization framework for digital systems is provided.

Digital radiology and Picture Archiving and Communication System (PACS)

Plain radiography still accounts for the vast majority of imaging studies that are performed at multiple clinical instances. Digital detectors are now prominent in many imaging facilities and they are the main driving force towards filmless environments. There has been a working paradigm shift due to the functional separation of acquisition, visualization, and storage with deep impact in the imaging workflows. Moreover with direct digital detectors images are made available almost immediately. Digital radiology is now completely integrated in Picture Archiving and Communication System (PACS) environments governed by the Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) standard. In this chapter a brief overview of PACS architectures and components is presented together with a necessarily brief account of the DICOM standard. Special focus is given to the DICOM digital radiology objects and how specific attributes may now be used to improve and increase the metadata repository associated with image data. Regular scrutiny of the metadata repository may serve as a valuable tool for improved, cost-effective, and multidimensional quality control procedures.