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.

Implementação e validação de uma metodologia analítica forense para a detecção/identificação de explosivos orgânicos

Na análise forense de explosivos é comum a tarefa de análise química num cenário de pós-explosão com o objectivo de detectar/identificar resíduos do explosivo usado. A maior dificuldade desta análise está directamente relacionada com os baixos teores de resíduos de explosivos que se encontram. Assim, é necessário que os diferentes passos aos quais as amostras são sujeitas, desde a sua recolha, acondicionamento e transporte, passando pela extracção no laboratório, até serem analisadas, sejam realizados com o maior controlo possível. Todas as tarefas envolvidas em todas as etapas poderão contribuir com erros que afectarão o resultado final. Deste modo, é da maior importância elaborar um programa de controlo da qualidade para que as análises sejam efectuadas de modo correcto, reprodutível e eficaz. Este trabalho consistiu na optimização e validação do desempenho qualitativo de um método de ensaio para detecção e identificação de quinze explosivos orgânicos através de cromatografia líquida de alto desempenho com um detector de ultravioleta-visível (HPLC-UV-Vis). De seguida estabeleceu-se um programa de controlo de qualidade (CQ) para ensaios em rotina, baseado nos resultados obtidos através da validação. Por fim, foi testado o referido programa com análises a diferentes amostras reais. De acordo com os resultados obtidos, o novo método de ensaio desenvolvido demonstrou ser um método mais rápido na análise de explosivos quando comparado com o anterior método. Portanto, é possível concluir que, através de testes estatísticos, ficou provado que o método é adequado para o fim a que se destina, podendo substituir com vantagens o método anteriormente utilizado em ensaios de rotina. Contudo, este método apresenta como principal desvantagem a dificuldade em separar compostos que apresentam isómeros. Esta é uma limitação menor que poderá ser estudada em trabalhos futuros.

Desenvolvimento de materiais poliméricos resistentes à radiação UV: determinação quantitativa de estabilizadores à radiação UV

A presente tese teve por objectivo principal o desenvolvimento de métodos que permitissem quantificar alguns aditivos HALS (Hindered Amine Ligth Stabilizers - Aminas Estericamente Impedidas Estabilizadoras à luz), tais como, Tinuvin 622®, Chimassorb 944® e Chimassorb 2020® presentes em amostras de corda sintética. Os métodos de quantificação compreenderam a hidrólise básica para o Tinuvin 622® e a hidrólise ácida para ambos os Chimassorbs, e a separação e identificação por HPLC-MS/MS dos produtos da mesma. Procedendo à realização do método com o respectivo padrão de cada aditivo foi possível obter-se uma curva de calibração para o Tinuvin 622® (y = 899733 X - 96173; r = 0,9979) e para o Chimassorb 944® (y = 44177 X - 18248; r = 0,9965). Relativamente ao Chimassorb 2020® foram realizados alguns ensaios preliminares fundamentais para o desenvolvimento de um método de quantificação para este aditivo. Para o Tinuvin 622® foram realizados ainda ensaios de forma a desenvolver-se um método em que a quantificação ocorresse exclusivamente pela separação do hidrolisado no HPLC com detector UV. Dado que o Tinuvin 622® não apresenta absorção no UV optou-se por realizar a derivatização fluorescente deste através da esterificação com PyCOOH (ácido pirenobutírico) em meio ácido. Nas amostras de corda foram realizados ensaios de envelhecimento e tracção, ensaios de brilho, ensaios de absorção, bem como a quantificação do Tinuvin 622® nas cordas com e sem tratamento de irradiação (envelhecimento). Comprovou-se que as amostras de corda contêm cerca de 0,2% de Tinuvin 622® e que a corda preta não contém aditivo HALS. Verificou-se que em cordas sujeitas à radiação UV, a tensão de ruptura é influenciada pela quantidade de Tinuvin 622® e que esta por sua vez depende do tempo de exposição a que a corda foi sujeita. Por outro lado, concluiu-se que a cor (pigmentos) e o brilho não apresentam influência significativa na resistência das cordas quando expostas à radiação UV.

Digital radiography detectors - A technical overview: Part 1

During the last two decades screen-film (SF) systems have been replaced by digital X-ray systems. The advent of digital technologies brought a number of digital solutions based on different detector and readout technologies. Improvements in technology allowed the development of new digital technologies for projection radiography such as computed radiography (CR) and digital radiography (DR). The large number of scientific papers concerning digital X-ray systems that have been published over the last 25 years indicates the relevance of these technologies in healthcare. There are important differences among different detector technologies that may affect system performance and image quality for diagnostic purposes. Radiographers are expected to have an effective understanding of digital X-ray technologies and a high level of knowledge and awareness concerning the capabilities of these systems. Patient safety and reliable diagnostic information are intrinsically linked to these factors. In this review article - which is the first of two parts - a global overview of the digital radiography systems (both CR and DR) currently available for clinical practice is provided.

Digital radiography detectors - A technical overview: Part 2

Digital X-ray detector technologies provide several advantages when compared with screen-film (SF) systems: better diagnostic quality of the radiographic image, increased dose efficiency, better dynamic range and possible reduction of radiation exposure to the patient. The transition from traditional SF systems to digital technology-based systems highlights the importance of the discussion around technical factors such as image acquisition, themanagement of patient dose and diagnostic image quality. Radiographers should be aware of these aspects concerning their clinical practice regarding the advantages and limitations of digital detectors. Newdigital technologies require an up-to-date of scientific knowledge concerning their use in projection radiography. This is the second of a two-part review article focused on a technical overview of digital radiography detectors. This article provides a discussion about the issues related to the image acquisition requirements and advantages of digital technologies, the management of patient dose and the diagnostic image quality.

A 3-phase model for VIS/NIR mu C-Si : H p-i-n detectors

The spectral response and the photocurrent delivered by entirely microcrystalline p-i-n-Si:H detectors an analysed under different applied bias and light illumination conditions. The spectral response and the internal collection depend not only on the energy range but also on the illumination side. Under [p]- and [n]-side irradiation, the internal collection characteristics have an atypical shape. It is high for applied bias and lower than the open circuit voltage, shows a steep decrease near the open circuit voltage (higher under [n]-side illumination) and levels off for higher voltages. Additionally, the numerical modeling of the VIS/NIR detector, based on the band discontinuities near the grain boundaries and interfaces, complements the study and gives insight into the internal physical process.

Laser scanned photodiodes (LSP) for Image sensing

An optimized ZnO:Al/a-pin SixCl1-x:H/Al configuration for the laser scanned photodiode (LSP) imaging detector is proposed. The LSP utilizes light induced depletion layers as detector and a laser beam for readout. The effect of the sensing element structure, cell configuration and light source flux are investigated and correlated with the sensor output characteristics. Experimental data reveal that the large optical gap and the low conductivity of the doped a-SixC1-x:H layers are responsible by an induced inversion layer at the illuminated interfaces which blocks the carrier collection. These insulator-like layers act as MIS gates preventing image smearing. The physical background of the LSP is discussed.

Laser scanned photodiodes (LSPs) for image sensing

An optimized ZnO:Al/a-pin SixC1-x:H/Al configuration for the laser scanned photodiode (LSP) imaging detector is proposed and the read-out parameters improved. The effect of the sensing element structure, cell configuration and light source flux are investigated and correlated with the sensor output characteristics. Data reveals that for sensors with wide band gap doped layers an increase on the image signal optimized to the blue is achieved with a dynamic range of two orders of magnitude, a responsivity of 6 mA W-1 and a sensitivity of 17 muW cm(-2) at 530 nm. The main output characteristics such as image responsivity, resolution, linearity and dynamic range were analyzed under reverse, forward and short circuit modes. The results show that the sensor performance can be optimized in short circuit mode. A trade-off between the scan time and the required resolution is needed since the spot size limits the resolution due to the cross-talk between dark and illuminated regions leading to blurring effects.

Optical confinement and colour separation in a double colour laser scanned photodiode (D/CLSP)

Large area n-i-p-n-i-p a-SiC:H heterostructures are used as sensing element in a double colour laser scanned photodiode image sensor (D/CLSP). This work aims to clarify possible improvements, physical limits and performance of CLSP image sensor when used as non-pixel image reader. Here, the image capture device and the scanning reader are optimized and the effects of the sensor structure on the output characteristics discussed. The role of the design of the sensing element, the doped layer composition and thickness, the read-out parameters (applied voltage and scanner frequency) on the image acquisition and the colour detection process are analysed. A physical model is presented and supported by a numerical simulation of the output characteristics of the sensor.

Optical confinement and colour separation in a double colour laser scanned photodiode (D/CLSP)

Large area n-i-p-n-i-p a-SiC:H heterostructures are used as sensing element in a Double Color Laser Scanned Photodiode image sensor (D/CLSP). This work aims to clarify possible improvements, physical limits and performance of CLSP image sensor when used as non-pixel image reader. Here, the image capture device and the scanning reader are optimized and the effects of the sensor structure on the output characteristics discussed. The role of the design of the sensing element, the doped layer composition and thickness, the read-out parameters (applied voltage and scanner frequency) on the image acquisition and the color detection process are analyzed. A physical model is presented and supported by a numerical simulation of the output characteristics of the sensor.

Sensor element for a metal-insulator-semiconductor camera system (MISCam)

We discuss the operation of a new type of optical sensor (MISCam) based on a metal-insulator-semiconductor (MIS) structure. The operation principle relies on light-induced changes of the band bending and barrier height at the interface between semiconductor and insulator. An image is obtained from the quenching of the ac signal in analogy to the principle of the laser-scanned photodiode (LSP). Lateral resolution depends on the semiconductor material chosen. We have characterised the MIS structures by C-V, I-V, and spectral response measurements testing different types of insulators like a-Si3N4, SiO2, and AlN. The presence of slow interface charges allows for image memory. Colour sensors can be realised by controlling sign and magnitude of the electric fields in the base and the interface region.

Estudo da resposta de um dosímetro eletrónico individual

Introdução – A monitorização da exposição ocupacional a doses de radiação ionizante pode ser complementada por dosímetros eletrónicos individuais que permitem uma leitura direta da dose de radiação recebida. Dada a dependência energética e de débito de dose já reportada para estes dosímetros, este trabalho pretende determinar a linearidade da resposta de um dosímetro eletrónico individual e estudar o comportamento da sua resposta em função da energia de radiação e do débito de dose. Metodologia – Para estudar a dependência da energia da radiação do dosímetro eletrónico pessoal Vertec Bleeper Sv procedeu‑se à sua irradiação com um equivalente de dose individual, Hp(10), de 500 μSv de radiação gama do Cobalto – 60 (60C) e Césio – 137 (137Cs) e das qualidades de radiação X da série Narrow (N): N‑30, N‑40, N‑60, N‑80, N‑100 e N‑120. Para investigar a dependência da resposta em função do débito de dose aplicaram‑se à ampola de raios X as intensidades de corrente elétrica de 1 mA, 5 mA, 10 mA, 15 mA e 20 mA. Resultados – Não existe uma relação entre a resposta do detetor e a energia de radiação a que este é exposto. Ocorre uma subestimação superior a 50% na grandeza medida para energias inferiores a 33 keV, mas ostenta uma medida relativamente linear da grandeza Hp(10) para doses inferiores a 100 μSv. Também se constata que, à medida que o débito de dose aumenta, existe uma diminuição na resposta do dosímetro. O menor decréscimo na resposta deste dosímetro eletrónico individual dá‑se para as qualidades de radiação N‑30 (1,1%), N‑40 (4,1%) e N‑120 (20,0%). Conclusão – Verifica‑se que a resposta do dosímetro individual Vertec Bleeper Sv depende fortemente da energia da radiação e do débito de dose. ABSTRACT: Introduction – The measurement of occupational exposure to radiation doses can be completed with an electronic personal dosemeter that allows a direct reading and alarm function of the received radiation dose. Due to the energy and dose rate dependence already reported for this type of dosemeter, it is intended, with this work, to determine the response linearity of an Electronic Personal Dosemeter and to study its response behavior to the dose rate and radiation energy. Methodology – The electronic personal dosemeter Vertec Bleeper Sv energy dependency was evaluated by its irradiation with 500 μSv from the radionuclides Cobalt – 60 (60C) and Cesium – 137 (137Cs) as well as by the radiation qualities of the Narrow (N) series: N‑30, N‑40, N‑60, N‑80, N‑100 e N‑120. To investigate the dose rate dependency, the intensities of electric current of 1 mA, 5 mA, 10 mA, 15 mA and 20 mA were applied to the X‑ray tube. Results – There is no relationship between the response of the detector and the radiation energy. For energies below 33 keV there is an underestimation over 50% of the radiation dose measured but the detector presents a linear response for energies under 100 μSv. A dependency on the dose rate is perceived since as the dose rate increases, the response of the individual monitor decreases. There is a smaller decrease for the radiation qualities of N‑30 (1.1%), N‑40 (4.1%) and N‑120 (20.0%). Conclusion – It is concluded that there is a strong dependence of radiation energy and dose rate on the response of an electronic personal dosemeter.

Medições de dose no cristalino e na tiróide em tomografia computorizada: projecto

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde. Área de especialização: Protecção Contra Radiações

Avaliação da dose absorvida na tiróide, em cintigrafias com 123I e Na99mTcO4 utilizando modelos biocinéticos e métodos de Monte Carlo

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde. Área de especialização: Protecção contra Radiações

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.