Valutazione della qualità delle immagini e della dose in multi-slice computed tomography per l'ottimizzazione dei protocolli clinici che impiegano sistemi di modulazione automatica

In questo studio ci siamo proposti di investigare i sistemi di modulazione automatica della dose sui sistemi TC Multislice (Automatic Exposure Control – AEC) da tre diversi produttori, aventi differenti indicatori di qualità delle immagini. Il presente lavoro è stato svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria dell’Azienda Ospedaliera Universitaria - Policlinico Sant’Orsola-Malpighi di Bologna e consiste in un’analisi quantitativa della dose impiegata durante esami di Tomografia Computerizzata Multi-Slice (TCMS) e delle rispettive immagini radiologiche. Le immagini sono state acquisite con : GE LightSpeed VCT 64 e GE LightSpeed 16 (AEC AutomA 3D longitudinale e angolare), Siemens Sensation 16 (AEC CARE Dose 4D combinato), Philips Brilliance 16 e iCT 64 (separati in AEC ZDOM longitudinale e AEC DDOM angolare). Le acquisizioni TCMS sono state effettuate a differenti kV e mA di riferimento, al fine di investigarne gli effetti sulla modulazione, impiegando algoritmi di ricostruzione standard presenti su ogni macchina. Due fantocci antropomorfi simulanti la zona del torace e dell’addome sono stati utilizzati per simulare un paziente standard posizionato come in un esame clinico di routine ; a questo proposito, sono stati impiegati protocolli elicoidali standard con e senza modulazione. Sono inoltre stati testati differenti valori di indice di qualità delle immagini. Il profilo dei mA lungo la lunghezza è stato ottenuto utilizzando ImageJ, un programma open source comunemente utilizzato per l’elaborazione di immagini; i mAs sono stati normalizzati ad un fattore che tiene conto delle differenti geometrie e delle filtrazioni dei diversi scanner tomografici analizzati nell’esperienza. Il rumore è stato valutato tramite la scelta di determinate ROI (Region Of Interest) localizzate in aree il più possibili uniformi disponibili lungo i fantocci. Abbiamo registrato che una variazione del Noise Index o dei mAs di riferimento a seconda della tipologia di macchina analizzata risulta in uno shift dei profili di dose; lo stesso si è verificato quando sono stati cambiato kV o mA nella scout di acquisizione. Sistemi AEC longitudinali e combinati hanno mostrato profili di mAs normalizzati simili tra loro, con valori elevati evidenziati nella zona delle spalle e zona pelvi; sono state osservate differenze del 30-40% tra i differenti scanner tomografici. Solo in un caso di macchina analizzata si è verificato un comportamento opposto rispetto alle altre due tipologie di macchina in esame. A dispetto della differente natura dei sistemi AEC, i risultati ottenuti dai protocolli combinati e longitudinali sono simili tra loro. Il rumore presente nelle immagini è aumentato ad un livello accettabile e la sua uniformità lungo la direzione di scan è migliorata.

Image quality and dose evaluation of filtered back projection versus iterative reconstruction algorithm in multislice computed tomography.

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico Sant'Orsola-Malpighi di Bologna. Lo studio si è concentrato sul confronto tra le tecniche di ricostruzione standard (Filtered Back Projection, FBP) e quelle iterative in Tomografia Computerizzata. Il lavoro è stato diviso in due parti: nella prima è stata analizzata la qualità delle immagini acquisite con una CT multislice (iCT 128, sistema Philips) utilizzando sia l'algoritmo FBP sia quello iterativo (nel nostro caso iDose4). Per valutare la qualità delle immagini sono stati analizzati i seguenti parametri: il Noise Power Spectrum (NPS), la Modulation Transfer Function (MTF) e il rapporto contrasto-rumore (CNR). Le prime due grandezze sono state studiate effettuando misure su un fantoccio fornito dalla ditta costruttrice, che simulava la parte body e la parte head, con due cilindri di 32 e 20 cm rispettivamente. Le misure confermano la riduzione del rumore ma in maniera differente per i diversi filtri di convoluzione utilizzati. Lo studio dell'MTF invece ha rivelato che l'utilizzo delle tecniche standard e iterative non cambia la risoluzione spaziale; infatti gli andamenti ottenuti sono perfettamente identici (a parte le differenze intrinseche nei filtri di convoluzione), a differenza di quanto dichiarato dalla ditta. Per l'analisi del CNR sono stati utilizzati due fantocci; il primo, chiamato Catphan 600 è il fantoccio utilizzato per caratterizzare i sistemi CT. Il secondo, chiamato Cirs 061 ha al suo interno degli inserti che simulano la presenza di lesioni con densità tipiche del distretto addominale. Lo studio effettuato ha evidenziato che, per entrambi i fantocci, il rapporto contrasto-rumore aumenta se si utilizza la tecnica di ricostruzione iterativa. La seconda parte del lavoro di tesi è stata quella di effettuare una valutazione della riduzione della dose prendendo in considerazione diversi protocolli utilizzati nella pratica clinica, si sono analizzati un alto numero di esami e si sono calcolati i valori medi di CTDI e DLP su un campione di esame con FBP e con iDose4. I risultati mostrano che i valori ricavati con l'utilizzo dell'algoritmo iterativo sono al di sotto dei valori DLR nazionali di riferimento e di quelli che non usano i sistemi iterativi.

Set up of a procedure for correlation analysis between current discharge and dose delivery in a pulsed power plasma device for medical application

This thesis work aims to find a procedure for isolating specific features of the current signal from a plasma focus for medical applications. The structure of the current signal inside a plasma focus is exclusive of this class of machines and a specific analysis procedure has to be developed. The hope is to find one or more features that shows a correlation with the dose erogated. The study of the correlation between the current discharge signal and the dose delivered by a plasma focus could be of some importance not only for the practical application of dose prediction but also for expanding the knowledge anbout the plasma focus physics. Vatious classes of time-frequency analysis tecniques are implemented in order to solve the problem.

Radiotherapy with scanning carbon ion beams: biological dose analysis for partial treatment delivery

L’uso di particelle cariche pesanti in radioterapia prende il nome di adroterapia. L’adroterapia permette l’irraggiamento di un volume bersaglio minimizzando il danno ai tessuti sani circostanti rispetto alla radioterapia tradizionale a raggi X. Le proprietà radiobiologiche degli ioni carbonio rappresentano un problema per i modelli radiobiologici a causa della non linearità della loro efficacia biologica. In questa tesi presenteremo gli algoritmi che possono essere usati per calcolare la dose fisica e biologica per un piano di trattamento del CNAO (Centro Nazionale Adroterapia Oncologica). Un caso di particolare interesse è l’eventualità che un piano di trattamento venga interrotto prima del dovuto. A causa della non linearità della sopravvivenza cellulare al variare della quantità di dose ricevuta giornalmente, è necessario studiare gli effetti degli irraggiamenti parziali utilizzando algoritmi che tengano conto delle tante variabili che caratterizzano sia i fasci di ioni che i tessuti irraggiati. Nell'ambito di questa tesi, appositi algoritmi in MATLAB sono stati sviluppati e implementati per confrontare la dose biologica e fisica assorbita nei casi di trattamento parziale.

NCX-1000, a nitric oxide-releasing derivative of UDCA, does not decrease portal pressure in patients with cirrhosis: results of a randomized, double-blind, dose-escalating study

NCX-1000 (2(acetyloxy) benzoic acid-3(nitrooxymethyl)phenyl ester) is an nitric oxide (NO)-releasing derivative of ursodeoxycholic acid (UDCA), which showed selective vasodilatory effect on intrahepatic circulation in animal models of cirrhosis. This study was aimed at testing the efficacy and tolerability of this compound in patients with cirrhosis and portal hypertension.

Detection of chest trauma with whole-body low-dose linear slit digital radiography: a multireader study

The objective of our study was to compare the performance of low-dose linear slit digital radiography (DR) with computed radiography (CR) for the detection of trauma sequelae in the chest including rib fractures, pneumothorax, and lung contusion.

Successful treatment of childhood high-risk hepatoblastoma with dose-intensive multiagent chemotherapy and surgery: final results of the SIOPEL-3HR study

The primary objective was to determine the efficacy of a newly designed preoperative chemotherapy regimen in an attempt to improve the cure rate of children with high-risk hepatoblastoma.

Radiation dose optimized lateral expansion of the field of view in synchrotron radiation X-ray tomographic microscopy

Volumetric data at micrometer level resolution can be acquired within a few minutes using synchrotron-radiation-based tomographic microscopy. The field of view along the rotation axis of the sample can easily be increased by stacking several tomograms, allowing the investigation of long and thin objects at high resolution. On the contrary, an extension of the field of view in the perpendicular direction is non-trivial. This paper presents an acquisition protocol which increases the field of view of the tomographic dataset perpendicular to its rotation axis. The acquisition protocol can be tuned as a function of the reconstruction quality and scanning time. Since the scanning time is proportional to the radiation dose imparted to the sample, this method can be used to increase the field of view of tomographic microscopy instruments while optimizing the radiation dose for radiation-sensitive samples and keeping the quality of the tomographic dataset on the required level. This approach, dubbed wide-field synchrotron radiation tomographic microscopy, can increase the lateral field of view up to five times. The method has been successfully applied for the three-dimensional imaging of entire rat lung acini with a diameter of 4.1 mm at a voxel size of 1.48 microm.

Fluorescent-magnetic hybrid nanoparticles induce a dose-dependent increase in proinflammatory response in lung cells in vitro correlated with intracellular localization

Iron-platinum nanoparticles embedded in a poly(methacrylic acid) (PMA) polymer shell and fluorescently labeled with the dye ATTO 590 (FePt-PMA-ATTO-2%) are investigated in terms of their intracellular localization in lung cells and potential to induce a proinflammatory response dependent on concentration and incubation time. A gold core coated with the same polymer shell (Au-PMA-ATTO-2%) is also included. Using laser scanning and electron microscopy techniques, it is shown that the FePt-PMA-ATTO-2% particles penetrate all three types of cell investigated but to a higher extent in macrophages and dendritic cells than epithelial cells. In both cell types of the defense system but not in epithelial cells, a particle-dose-dependent increase of the cytokine tumor necrosis factor alpha (TNFalpha) is found. By comparing the different nanoparticles and the mere polymer shell, it is shown that the cores combined with the shells are responsible for the induction of proinflammatory effects and not the shells alone. It is concluded that the uptake behavior and the proinflammatory response upon particle exposure are dependent on the time, cell type, and cell culture.

High-dose (80 Gy) intensity-modulated radiation therapy with daily image-guidance as primary treatment for localized prostate cancer

to report acute and late toxicity in prostate cancer patients treated by high-dose intensity-modulated radiation therapy (IMRT) with daily image-guidance.

Urethral toxicity vs. cancer control-Lessons to be learned from high-dose rate brachytherapy combined with intensity-modulated radiation therapy in intermediate- and high-risk prostate cancer

To describe biochemical relapse-free survival (BRFS) and late toxicity after combined high-dose rate brachytherapy (HDR-B) and intensity-modulated radiation therapy (IMRT) in intermediate- and high-risk prostate cancer patients.

Monte Carlo dose calculation improvements for low energy electron beams using eMC

The electron Monte Carlo (eMC) dose calculation algorithm in Eclipse (Varian Medical Systems) is based on the macro MC method and is able to predict dose distributions for high energy electron beams with high accuracy. However, there are limitations for low energy electron beams. This work aims to improve the accuracy of the dose calculation using eMC for 4 and 6 MeV electron beams of Varian linear accelerators. Improvements implemented into the eMC include (1) improved determination of the initial electron energy spectrum by increased resolution of mono-energetic depth dose curves used during beam configuration; (2) inclusion of all the scrapers of the applicator in the beam model; (3) reduction of the maximum size of the sphere to be selected within the macro MC transport when the energy of the incident electron is below certain thresholds. The impact of these changes in eMC is investigated by comparing calculated dose distributions for 4 and 6 MeV electron beams at source to surface distance (SSD) of 100 and 110 cm with applicators ranging from 6 x 6 to 25 x 25 cm(2) of a Varian Clinac 2300C/D with the corresponding measurements. Dose differences between calculated and measured absolute depth dose curves are reduced from 6% to less than 1.5% for both energies and all applicators considered at SSD of 100 cm. Using the original eMC implementation, absolute dose profiles at depths of 1 cm, d(max) and R50 in water lead to dose differences of up to 8% for applicators larger than 15 x 15 cm(2) at SSD 100 cm. Those differences are now reduced to less than 2% for all dose profiles investigated when the improved version of eMC is used. At SSD of 110 cm the dose difference for the original eMC version is even more pronounced and can be larger than 10%. Those differences are reduced to within 2% or 2 mm with the improved version of eMC. In this work several enhancements were made in the eMC algorithm leading to significant improvements in the accuracy of the dose calculation for 4 and 6 MeV electron beams of Varian linear accelerators.

Intensified chemotherapy and dose-reduced involved-field radiotherapy in patients with early unfavorable Hodgkin's lymphoma: final analysis of the German Hodgkin Study Group HD11 trial

Combined-modality treatment consisting of four to six cycles of chemotherapy followed by involved-field radiotherapy (IFRT) is the standard of care for patients with early unfavorable Hodgkin's lymphoma (HL). It is unclear whether treatment results can be improved with more intensive chemotherapy and which radiation dose needs to be applied.

High-dose melphalan with or without stem cell support before myeloablative allo-SCT for remission induction in patients with advanced relapsed or refractory AML

Treatment strategies for relapsed/refractory AML are limited and disappointing. Recently, high-dose melphalan (HDM) chemotherapy and autologous hematopoietic SCT (HSCT) has been proposed for AML re-induction. We investigated the impact of HDM remission induction in highly advanced relapsed/refractory AML patients planned for allogeneic HSCT. A total of 23 patients with relapsed/refractory AML were prospectively scheduled for HDM with or without stem cell support followed by myeloablative allogeneic HSCT. Patients included nine individuals with a history of previous HSCT (seven allogeneic, two autologous). A total of 18 patients (78%) achieved a leukemia-free state and an additional four had substantial reduction of the initial leukemia burden warranting treatment continuation. There were no differences between patients with or without immediate stem cell support regarding mucositis or other organ toxicity. A total of 20 patients proceeded to myeloablative allogeneic HSCT. Outcome of allogeneic HSCT was poor: 11 patients (55%) relapsed, 7 patients (35%) died from TRM and only 2 patients (10%) were alive at the last follow-up. Our study shows that HDM is effective in inducing a leukemia-free state in patients with highly advanced relapsed/refractory AML. Leukemia burden reduction with HDM, however, did not translate into improved OS.