A cárie dentária continua sendo um grande desafio para os Cirurgiões-Dentistas pela dificuldade de diagnóstico, sobretudo em superfícies proximais. Muitos equipamentos se destinam a facilitar o exame do paciente, tendo como principal objetivo o diagnóstico de cáries incipientes. Dentre os exames mais utilizados está a radiografia interproximal associada ao exame clínico. O Sistema Internacional de Avaliação e Detecção de Cáries (ICDAS) vem sendo bem aceito tanto para o uso clínico como para pesquisas in vitro e in vivo, apresentando ótimos resultados. Além da técnica interproximal, a tomografia cone beam (CBCT) vem entrando no cotidiano da Odontologia, mas pouco se sabe sobre o seu desempenho para avaliação de cáries iniciais em superfícies proximais. A microtomografia (CT) é um novo método de avaliação destinado a pequenos espécimes e se assemelha a uma versão em miniatura da tomografia axial computadorizada, gerando imagens na ordem de micrômetros. Este método vem sendo utilização em pesquisas para se avaliar tecidos mineralizados, devido à sua habilidade de aferir com precisão o coeficiente de atenuação linear. O método padrão ouro que define com maior precisão os estágios da cárie é o histológico. Contudo, para sua avaliação é necessário destruir os espécimes. Este trabalho teve por objetivo avaliar o desempenho do método ICDAS, de radiografias digitais pela técnica interproximal, da CBCT e da CT para lesões precoces de cárie, com relação à histologia. Houve correlação entre os dados obtidos com o sistema ICDAS para superfícies proximais e as imagens da CT, no que diz respeito à classificação quanto à profundidade das lesões. A CT tem correlação positiva com a histologia tanto na classificação das lesões como na profundidade, contudo esta relação poderia ser maior se uma melhor resolução fosse conseguida. As radiografias digitais pela técnica interproximal tiveram o melhor desempenho com relação à CT e à histologia, sendo este desempenho muito semelhante ao método clínico ICDAS. A CBCT obteve o pior desempenho, contudo ainda assim houve correlação positiva com a histologia e com a CT. A associação do método clínico ICDAS e as radiografias interproximais digitais tiveram o melhor desempenho com relação à histologia. A grande vantagem da microtomografia quando comparada a outros métodos de avaliação da doença cárie, é a manutenção da integridade dos espécimes, a informação tridimensional e isotrópica, possibilitando o uso dos espécimes em outro momento, sem a perda de eventuais características presentes nos mesmos. / Dental caries is still a great challenge to dentists, manly in proximal surfaces due to its difficult diagnosis. Many types of equipment have been designed to minimize this problem, specially aiming early caries detection. Among all, one of the most used by clinicians is the interproximal radiograph. The International Caries Assessment System (ICDAS) is a clinical evaluation method that is well accepted and used having a good performance not only for in vivo but also for in vitro studies. Cone beam CT (CBCT) is also being assessed in the overall Dentistry, but its performance on early caries detection has not extensively being evaluated. Microtomography (CT) is a new assessment method which is addressed to small specimens and is similar to a miniature version of axial computed tomography, producing images with micrometrical definition. CT is being assessed in dental research to evaluate mineral content of hard tissues, due to its ability to measure precisely the linear attenuation coefficient. The gold standard method to measure early caries lesions is histological method. However, to perform it, its necessary to cut the specimen. This study had the aim to evaluate the ICDAS, digital X-rays with the interproximal technique, CBCT and CT performance for early caries lesions, when compared to histology. ICDAS for proximal surfaces and CT had a positive correlation through the lesions depth. CT had a positive correlation with histology when analyzing lesions depth and the classification relating to the severity of the lesion, although this relation could be better if a better resolution could be achieved. Digital bite-wing radiographs had the best performance among all exams when comparing to CT and histology, similar to what we notice with the ICDAS results. CBCT had the worst results when comparing to CT and histology, but it was still considered a good relation. The best performance was achieved with the association of ICDAS and digital bite-wing radiographs when comparing to histology. The great advantage of CT when compared to other validating methods to evaluate dental caries is that it doesnt destroy the specimens, it gives tridimensional and isotropic information, making possible to use the specimens again, without losing inner properties.

Objetivo: O desenvolvimento da tecnologia em diagnóstico odontológico por imagem através dos Tomógrafos Computadorizados por Feixe Cônico, tornou possível e acessível a avaliação cefalométrica através de reconstruções volumétricas do crânio. Parâmetros baseados em evidências científicas são necessários para implementar o seu uso. Alguns parâmetros utilizados na cefalometria convencional (bidimensional) deverão ser esquecidos, outros deverão ser adaptados, outros, ainda, deverão ser criados. Propomos aqui a criação de um Cefalostato Virtual para orientação do crânio em TC, com a utilização de pontos intracranianos, que são mais estáveis. Também propomos a criação do ponto TS e da linha TS-Pg em substituição ao ponto S e ao eixo Y de crescimento de Downs, respectivamente. Além disso, propomos a linha Ba-Op como referência para casos de assimetria faciais onde não é possível a utilização do plano Horizontal de Frankfurt, em casos, por exemplo, de síndromes que afetem os pontos de referências mais externos. Métodos: 49 crânios pertencentes ao do Museu de Anatomia UNIFESP, foram escaneados em um tomógrafo computadorizado por feixe cônico (TCFC), na clínica ISOOrthographic, São Paulo. As pontuações foram realizadas em dois momentos, com espaçamento de uma semana. Foram calculadas estatisticamente medidas-resumo (média, quartis, mínimo, máximo e desvio padrão). Foram calculadas também as correlações intraclasse e correlações de Pearson entre o Eixo Y (S-Gn) e linha entre os pontos TS e Pg. Resultados: Apesar de se observar uma baixa reprodutibilidade nas coordenadas, para os pontos CE, Pg e Gn, foi observada alta correlação entre as medidas angulares em questão. Para descrever a inclinação do Eixo Y em função da inclinação da Linha TS e Pg adotou-se um modelo de regressão linear simples descrito pela equação abaixo: Ang Sö- Gn = 0,989 Ang TS Pgi i Conclusões: o uso do Cefalostato Virtual na orientação de Crânios em Tomografia Computadorizada é factível e favorece a reprodução do posicionamento craniano; apesar da baixa reprodutibilidade intra observador dos pontos CE, Pg e Gn, novos critérios tridimensionais na definição destes pontos poderiam aumentar a precisão na sua localização; a alta reprodutibilidade intra observador para os pontos Op, TS e N, sugere que os critérios anatômicos próprios das estruturas estudadas favorecem a sua determinação; o ponto TS apresentou maior reprodutibilidade do que o ponto S, embora esta diferença não tenha sido estatisticamente significante, podendo-se substituir o ponto S pelo TS em estudos futuros; existe alta correlação entre a linha entre os pontos TS e Pg e o Eixo Y; a avaliação do comportamento da inclinação da linha orbitomeática (HF) com relação à linha Básio-Opístio sugere que na presença de alterações cranianas este relacionamento propicie auxílio no diagnóstico das alterações craniofaciais. / Objective: The development of new technology in dental diagnosis by cone beam CT (CBCT) image, made possible and accessible the realization of cephalometric evaluation through volumetric reconstructions of the skull. Scientific parameters with evidence-based are needed to implement its use. Some parameters used in conventional cephalometry (2D) maybe need to be forgotten, others should be adapted, and others still to be created. In this research we propose to create a Virtual Cephalostat orientation of the skull in CT, with the intracranial landmarks, because they are more stable. We propose the creation of landmark TS (Tubercle Sella) and the TS-Pg line to replace the landmark S (Sella) and the Y-axis of growth (Downs), respectively. Furthermore, we propose to use the Basion-Opistion line as a reference for cases of craniofacial asymmetry where is not possible to use the Frankfurt horizontal plane, as in some cases of syndromes that affects the most external landmarks. Methods: 49 skulls of Anatomy Museum of UNIFESP Federal University of São Paulo, were scanned in a CBCT. The analyses were performed in 2 stages, within 1-week space. Statistics measurements were calculated (mean, quartiles, minimum, maximum and standard deviation). We also calculated the intraclass correlations (ICC) and the Pearson correlations between the Y axis (S-Gn) and the line between landmarks TS-Pg. Results: Even if there is a low reproducibility in the coordinates for landmarks EC (Ethmoidal Crest), Pg and Gn it was observed a high correlation between the angular measures in question. To describe the inclination of the Y axis according to the slope of the line adopted TS and Pg a simple linear regression model is used, showed by the equation bellow: Ang Sö- Gn = 0,989 Ang TS Pgi i Conclusions: The use of the Virtual Cephalostat in orientation of skulls using CBCT is feasible and facilitates the reproduction of the skull position, despite the low intra observer reproducibility of landmarks EC, Pg and Gn, new 3D criteria in the definition of these landmarks could increase the precision in its location. The high intra observer reproducibility at the landmarks Op, N and TS, suggests that the anatomical criteria themselves promote their reliability; The TS landmark showed a higher reproducibility than the S landmark, even though the difference was not statistically significant, and it should be replaced by the landmark TS in future studies. There is a high correlation between the TS - Pg line and Y-axis. The relationship between the slope of the HF plane and Ba -Op line suggests that in the presence of the alteration of morphology in craniofacial structure, this relationship offer help in the diagnosis of craniofacial changes.

O seio esfenoidal humano, embora sua morfologia seja mais regular quando comparada à dos demais seios paranasais, apresenta numerosas variações anatômicas que afetam sua relação com estruturas vizinhas. Diversos autores mostram a importância do conhecimento dessas variações anatômicas, baseadas tanto na forma quanto na sua presença, para uma correta e segura abordagem cirúrgica nos procedimentos via endoscópica transesfenoidais. Devido a isso, o frequente estudo deste segmento anatômico se torna preponderante e para isso a tomografia computadorizada helicoidal, mais recentemente com o desenvolvimento da aquisição multislice, é de grande importância para o conhecimento tridimensional dos seus aspectos anatômicos e suas estruturas vizinhas, sendo hoje o exame indicado. A tomografia computadorizada por feixe cônico, devido ao baixo custo dos equipamentos e principalmente a baixa dose de radiação, aliada à qualidade e fidelidade de suas imagens, têm ocupado um espaço importante no diagnóstico por imagem nas diferentes especialidades da Odontologia e mostra-se também relevante sua ampliação em outras áreas em função das vantagens já citadas. O objetivo desse estudo, a partir da análise das imagens de 300 pacientes, obtidas em equipamento de tomografia computadorizada por feixe cônico, é mostrar a viabilidade da obtenção das mesmas para a avaliação das variações anatômicas do seio esfenoidal humano, no que se refere à presença e o tipo de expansão basilar e de septos, em um tomógrafo que une qualidade e fidelidade de imagens com baixa dose de radiação. Os resultados mostraram ser viável a observação, por meio da tomografia computadorizada por feixe cônico, tanto da presença de expansão basilar quanto de septos no seio esfenoidal humano, onde 69% dos exames analisados apresentaram expansão basilar e 60% septos. A presença de expansões mostrou ser independente em relação ao gênero e a idade e 81% delas apresentaram-se como críticas. A presença de septos mostrou ser também independente em relação ao gênero, porém associada a pacientes acima de 40 anos, sendo que 36% apresentaram somente o septo principal, 6% septos acessórios e 18% ambos. / The human sinus, although their morphology is more regular when compared to the other paranasal sinuses, has numerous anatomical variations that affect their relationship with neighboring structures. Several authors show the importance of anatomical variations knowledge, based on its shape and occurrence, for a correct and safe surgical approach in the endoscopic transsphenoidal procedures. Due to this, the frequent anatomic study becomes important and the helical CT, most recently with the development of multislice acquisition, is of great importance to the knowledge of their three-dimensional anatomy and its neighboring structures, being nowadays the main indicated survey. The cone beam computed tomography due to the its low cost of equipment and especially the low dose of radiation, combined with quality and fidelity of images, have occupied an important position in diagnostic imaging in the different specialties of Dentistry and shows to be also relevant in others areas according to the advantages already mentioned. This study, based on the analysis of obtained images from 300 patients in cone beam computed tomography equipment, intents the viability of obtaining the evaluation of anatomic variations of sphenoid sinus, in regard to the presence and type of basilar expansion and internal septa, in a CT scanner that combines quality and fidelity of images with low radiation dose. By means of cone-beam computed tomography the results showed the observation to be viable. The presence of basilar sinus expansion and septa in human sphenoid sinus were found. 69% of the analyzed cases showed basilar expansion and 60% the presence of septa. The presence of expansion was independent when considered the gender and age and 81% presented themselves as critical. The presence of septa was independent of gender and associated with patients over 40 years, and 36% had only primary septum, 6% accessories septa and 18% both.

O objetivo principal desta pesquisa foi justificar a proposta de utilização de um novo método tomográfico (cone beam) de avaliação das espessuras ósseas alveolares, maxilares e mandibulares, por meio de testes objetivos das Condições de Repetitividade e de Precisão Intermediária associadas à variação intra e interoperadores, e conforme a utilização de programa computacional independente (AutoCAD®) para a realização das medições, aplicadas à sequência do Procedimento Operacional Padrão (POP) definido para este experimento. A Fase I da pesquisa registrou os critérios de obtenção da qualidade final das imagens tomográficas definitivas, a partir de equipamento iCAT® (Imaging Sciences International, Hatfield, Pa), com parâmetros de aquisição de 120KVp, 37,7mA e 26,9s, e considerando FOV cilíndrico de 13cm e matriz de 512x512 pixels. A resolução do voxel foi de 0,25mm; A Fase II registrou os critérios exploratórios relativos às condições operacionais do software de visualização, registro (inspeção e identificação) e medição das grandezas selecionadas. A Fase III registrou a realização dos testes de repetitividade e de reprodutibilidade das medidas. Um total de 72 grandezas lineares foram previamente definidas e metodologicamente testadas em sua qualidade de inspeção, identificação e medição, a partir da avaliação de sete (7) operadores independentes, cinco dos quais eram especialistas e com Mestrado Acadêmico em Ortodontia pela FOUSP e, o outro, especialista em Radiologia Odontológica e Doutor em Diagnóstico Bucal (FOUSP). Os examinadores foram previamente instruídos, calibrados e treinados considerando os requerimentos necessários à execução dos testes propostos. O protocolo de pesquisa foi aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa da Faculdade de Odontologia da Universidade de São Paulo (Parecer CAAE 0120.0.017.000-11). A análise estatística dependeu da utilização de Modelo de Componentes de Variância (hierárquico), e foram consideradas como fontes de variação: as medidas, efetuadas por um mesmo operador ou por diferentes operadores; a face considerada, vestibular ou lingual/palatina; os locais (três níveis de espessura óssea alveolar) em cada uma das faces e, ainda, os diferentes dentes. Esta análise foi realizada de forma separada para mandíbula e maxila. Valores de p<0,05 indicaram significância estatística. Os resultados indicaram significativa confiabilidade geral no método proposto, considerando a Condição de Repetitividade, com apenas 0,24% da variabilidade maxilar total atribuível a um único operador, e mandibular de 0,53%; e com valores expressivos relativos às incertezas de medida maxilares (0,156mm) e mandibulares (0,091mm), desse modo atestando significativa consistência interna (repetibilidade) do método. Os testes da Condição de Precisão Intermediária também indicaram significativa confiabilidade geral no método proposto, com apenas 1,52% da variabilidade total mandibular atribuível à participação de diversos operadores, e maxilar de 0,25%; e com valores também expressivos relativos às incertezas de medida mandibulares (0,149mm) e maxilares (0,158mm), desse modo atestando significativa condição final de reprodutibilidade. Conclui-se que a utilização de imagens provenientes de tomógrafo iCAT®, conforme indicação de resolução de imagem com voxel de 0,25mm, em humanos vivos e a partir de cortes trans-axiais sistematicamente operacionalizados com auxílio de Software AutoCAD®, propicia a geração de condições metodológicas suficientemente favoráveis à obtenção de mapeamento quantitativo linear de espessuras ósseas alveolares, vestibulares e palatinas/linguais, tanto para a maxila quanto para a mandíbula. / This research aimed to justify the proposed use of a new tomography method (cone beam) in the clinical assessment of alveolar, maxillary and mandibular bone width, through objective tests of the Conditions of Repetitiveness and Intermediate Precision associated with intra- and inter-operator variation, using the independent computer program (AutoCAD®) for the execution of the measurements according to the Standard Operating Procedure (SOP) sequence defined for this experiment. Phase I of the research recorded the criteria for obtaining the final quality of the tomography images, using iCAT® (Imaging Sciences International, Hatfield, Pa, USA) equipment with acquisition parameters 120KVp, 37.7mA, and 26.9s, and considering cilindric field-of-view (FOV) of 13cm and 512x512 pixels matrix. The voxel resolution was 0.25mm. Phase II recorded the exploratory criteria relative to the operational conditions of the visualization software, registry (visual inspection and landmark identification) and measurement of the selected magnitudes. Phase III recorded the tests of repeatability and reproducibility of the measurements. A total of 72 linear magnitudes were previously defined and methodologically tested for their quality of inspection, identification and measurement, based on assessment by seven (7) independent operators, five of whom were specialists, with masters degrees in Orthodontics from FOUSP; and the other, a specialist in Dental Radiology and Doctor of Oral Diagnosis (FOUSP). The examiners were previously instructed, calibrated and trained according to the requirements for performing the proposed tests. The research protocol was approved by the Committee for Ethics in Research of the Faculty of Dentistry at the University of São Paulo (Protocol # 102/11-CAAE 0120.0.017.000-11). Statistical analysis used the (hierarchical) Components of Variation Model, and the sources of variation were considered to be: the measurements, made by the same operator or by different operators; the face considered, whether vestibular or lingual/palatal; the locations (three levels of alveolar bone thickness) in each of the faces and, also, the different teeth. This analysis was carried out separately for the mandible and the maxilla. Values of p<0.05 indicated statistical significance. The results indicated overall significant reliability in the proposed method considering the Condition of Repetitiveness, with only 0.24% of total maxillary, and 0.53% of mandibular, variability attributable to a single operator; and with expressive values relative to measurement uncertainties of maxillary (0.156 mm) and mandibular (0.091mm) averages, thereby attesting to significant internal consistency (\"repeatability\") of the method. Tests for the Condition of Intermediate Precision also indicated overall significant reliability of the proposed method, with only 1.52% total mandibular, and 0.25% maxillary, variability attributable to the participation of the various operators; and, also, with expressive values relative to measurement uncertainties of mandibular (0.149mm) and maxillary (0.158mm) averages, thereby attesting to the significant final condition of reproducibility. It is concluded that the use of images from iCAT® tomography, as indicated by image resolution with voxels of 0.25mm, in live humans and from transaxial cuts performed systematically with the help of AutoCAD® Software, provides methodological conditions sufficiently favorable for obtaining linear quantitative mapping of alveolar, vestibular and palatal/lingual bone thicknesses, for both the maxillary and mandibular dental arches.

Dans le contexte du traitement du cancer de la prostate, l’utilisation de la tomodensitométrie à faisceau conique (CBCT) pour la radiothérapie guidée par l’image, éventuellement adaptative, présente certaines difficultés en raison du faible contraste et du bruit important dans les images pelviennes. L’objectif principal de cette thèse est d’apporter des contributions méthodologiques pour le recalage automatique entre l’image scanner CT de référence et l’image CBCT acquise le jour du traitement. La première partie de nos contributions concerne le développement d’une stratégie de correction du positionnement du patient à l’aide du recalage rigide (RR) CT/CBCT. Nous avons comparé plusieurs algorithmes entre eux : (a) RR osseux, (b) RR osseux suivi d’un RR local dans une région qui correspond au clinical target volume (CTV) de la prostate dans l’image CT élargie d’une marge allant de 1 à 20 mm. Une analyse statistique complète des résultats quantitatifs et qualitatifs utilisant toute la base de données, composée de 115 images cone beam computed tomography (CBCT) et de 10 images computed tomography (CT) de 10 patients atteints du cancer de la prostate, a été réalisée. Nous avons également défini une nouvelle méthode pratique et automatique pour estimer la distension rectale produite dans le voisinage de la prostate entre l’image CT et l’image CBCT. A l’aide de notre mesure de distension rectale, nous avons évalué l’impact de la distension rectale sur la qualité du RR local et nous avons fourni un moyen de prédire les échecs de recalage. Sur cette base, nous avons élaboré des recommandations concernant l’utilisation du RR automatique pour la localisation de la prostate sur les images CBCT en pratique clinique. La seconde partie de la thèse concerne le développement méthodologique d’une nouvelle méthode combinant le recalage déformable et la segmentation. Pour contourner le problème du faible rapport qualité/bruit dans les images CBCT qui peut induire le processus de recalage en erreur, nous avons imaginé une nouvelle énergie composée de deux termes : un terme de similarité globale (la corrélation croisée normalisée (NCC) a été utilisée, mais tout autre mesure de similarité pourrait être utilisée à la place) et un terme de segmentation qui repose sur une adaptation locale du modèle de l’image homogène par morceaux de Chan-Vese utilisant un contour actif dans l’image CBCT. Notre but principal était d’améliorer la précision du recalage comparé à une énergie constituée de la NCC seule. Notre algorithme de recalage est complètement automatique et accepte comme entrées (1) l’image CT de planification, (2) l’image CBCT du jour et (3) l’image binaire associée à l’image CT et correspondant à l’organe d’intérêt que l’on cherche à segmenter dans l’image CBCT au cours du recalage. / The use of CBCT imaging for image-guided radiation therapy (IGRT), and beyond that, image-guided adaptive radiation therapy (IGART), in the context of prostate cancer is challenging due to the poor contrast and high noise in pelvic CBCT images. The principal aim of the thesis is to provide methodological contributions for automatic intra-patient image registration between the planning CT scan and the treatment CBCT scan. The first part of our contributions concerns the development of a CBCT-based prostate setup correction strategy using CT-to-CBCT rigid registration (RR). We established a comparison between different RR algorithms: (a) global RR, (b) bony RR, and (c) bony RR refined by a local RR using the prostate CTV in the CT scan expanded with 1- to-20-mm varying margins. A comprehensive statistical analysis of the quantitative and qualitative results was carried out using the whole dataset composed of 115 daily CBCT scans and 10 planning CT scans from 10 prostate cancer patients. We also defined a novel practical method to automatically estimate rectal distension occurred in the vicinity of the prostate between the CT and the CBCT scans. Using our measure of rectal distension, we evaluated the impact of rectal distension on the quality of local RR and we provided a way to predict registration failure. On this basis, we derived recommendations for clinical practice for the use of automatic RR for prostate localization on CBCT scans. The second part of the thesis provides a methodological development of a new joint segmentation and deformable registration framework. To deal with the poor contrast-to-noise ratio in CBCT images likely to misguide registration, we conceived a new metric (or enery) which included two terms: a global similarity term (the normalized cross correlation (NCC) was used, but any other one could be used instead) and a segmentation term based on a localized adaptation of the piecewise-constant region-based model of Chan-Vese using an evolving contour in the CBCT image. Our principal aim was to improve the accuracy of the registration compared with an ordinary NCC metric. Our registration algorithm is fully automatic and takes as inputs (1) the planning CT image, (2) the daily CBCT image and (3) the binary image associated with the CT image and corresponding to the organ of interest we want to segment in the CBCT image in the course of the registration process.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This PhD thesis, addresses the issue of evaluation of cone beam computed tomography, CBCT, scanning protocols, was introduced in dental radiology at the end of the 1990s, and it quickly became a fundamental examination for various procedures. Its main characteristic, the difference of medical CT is the beam shape. This study aimed to calculate the absorbed dose in eight tissues / organs of the head and neck, and to estimate the effective dose in 13 protocols and two techniques (stitched FOV e single FOV) of 5 equipment of different manufacturers of cone beam CT. For that purpose, a female anthropomorphic phantom was used, representing a default woman, in which were inserted thermoluminescent dosimeters at several points, representing organs / tissues with weighting values presented in the standard ICRP 103. The results were evaluated by comparing the dose according to the purpose of the tomographic image. Among the results, there is a difference up to 325% in the effective dose in relation to protocols with the same image goal. In relation to the image acquisition technique, the stitched FOV technique resulted in an effective dose of 5.3 times greater than the single FOV technique for protocols with the same image goal. In the individual contribution, the salivary glands are responsible for 31% of the effective dose in CT exams. The remaining tissues have also a significant contribution, 36%. The results drew attention to the need of estimating the effective dose in different equipment and protocols of the market, besides the knowledge of the radiation parameters and equipment manufacturing engineering to obtain the image. / Na presente tese de doutoramento foi abordada a temática da avaliação de protocolos de exame de tomografia computadorizada de feixe cônico - TCFC, que foi iniciada na radiologia odontológica no fim da década de 1990 e rapidamente tornou-se um exame fundamental para diversos procedimentos. Sua principal característica, que a diferencia da tomografia computadorizada médica, é a forma do feixe. Assim, este estudo objetivou calcular a dose absorvida em 8 tecidos/órgãos da cabeça e pescoço e estimar a dose efetiva em 13 protocolos e duas técnicas (stitched FOV e single FOV) de 5 equipamentos diferentes fabricantes de tomografia computadorizada de feixe cônico. Para isto, foi utilizado um simulador antropomórfico feminino, representando uma mulher padrão, onde foram inseridos dosímetros termoluminescentes em diversos pontos, representando órgãos e tecidos com valores de ponderação apresentados na norma ICRP 103. Os resultados foram avaliados, comparando-se a dose de acordo com o objetivo da imagem tomográfica. Dentre os resultados, observou-se uma diferença de até 325 % de dose efetiva em relação a protocolos com o mesmo objetivo de imagem. Em relação à técnica de obtenção de imagem, a técnica stitched FOV resultou em uma dose efetiva até 5,3 vezes maior que a single FOV para protocolos com o mesmo objetivo de imagem. Na contribuição individual, as glândulas salivares são responsáveis por 31% da dose efetiva, nos exames tomográficos. Os tecidos restantes também apresentaram uma contribuição significativa, 36 %. Os resultados apontam a necessidade de se estimar a dose efetiva nos diversos equipamentos e protocolos presentes no mercado, além de conhecer os parâmetros de radiação e a engenharia de fabricação dos equipamentos para a obtenção da imagem.

This thesis addresses three problems related to image registration, prediction and tracking, applied to Angiography and Oncology. For image analysis, various probabilistic models have been employed to characterize the image deformations, target motions and state estimations. (i) In Digital Subtraction Angiography (DSA), having a high quality visualization of the blood motion in the vessels is essential both in diagnostic and interventional applications. In order to reduce the inherent movement artifacts in DSA, non-rigid image registration is used before subtracting the mask from the contrast image. DSA image registration is a challenging problem, as it requires non-rigid matching across spatially non-uniform control points, at high speed. We model the problem of sub-pixel matching, as a labeling problem on a non-uniform Markov Random Field (MRF). We use quad-trees in a novel way to generate the non uniform grid structure and optimize the registration cost using graph-cuts technique. The MRF formulation produces a smooth displacement field which results in better artifact reduction than with the conventional approach of independently registering the control points. The above approach is further improved using two models. First, we introduce the concept of pivotal and non-pivotal control points. `Pivotal control points' are nodes in the Markov network that are close to the edges in the mask image, while 'non-pivotal control points' are identified in soft tissue regions. This model leads to a novel MRF framework and energy formulation. Next, we propose a Gaussian MRF model and solve the energy minimization problem for sub-pixel DSA registration using Random Walker (RW). An incremental registration approach is developed using quad-tree based MRF structure and RW, wherein the density of control points is hierarchically increased at each level M depending of the features to be used and the required accuracy. A novel numbering scheme of the control points allows us to reuse the computations done at level M in M + 1. Both the models result in an accelerated performance without compromising on the artifact reduction. We have also provided a CUDA based design of the algorithm, and shown performance acceleration on a GPU. We have tested the approach using 25 clinical data sets, and have presented the results of quantitative analysis and clinical assessment. (ii) In External Beam Radiation Therapy (EBRT), in order to monitor the intra fraction motion of thoracic and abdominal tumors, the lung diaphragm apex can be used as an internal marker. However, tracking the position of the apex from image based observations is a challenging problem, as it undergoes both position and shape variation. We propose a novel approach for tracking the ipsilateral hemidiaphragm apex (IHDA) position on CBCT projection images. We model the diaphragm state as a spatiotemporal MRF, and obtain the trace of the apex by solving an energy minimization problem through graph-cuts. We have tested the approach using 15 clinical data sets and found that this approach outperforms the conventional full search method in terms of accuracy. We have provided a GPU based heterogeneous implementation of the algorithm using CUDA to increase the viability of the approach for clinical use. (iii) In an adaptive radiotherapy system, irrespective of the methods used for target observations there is an inherent latency in the beam control as they involve mechanical movement and processing delays. Hence predicting the target position during `beam on target' is essential to increase the control precision. We propose a novel prediction model (called o set sine model) for the breathing pattern. We use IHDA positions (from CBCT images) as measurements and an Unscented Kalman Filter (UKF) for state estimation. The results based on 15 clinical datasets show that, o set sine model outperforms the state of the art LCM model in terms of prediction accuracy.