Um conceito central na dosimetria da terapia fotodinâmica (TFD) é o limiar de dose (Dth do inglês threshold dose). O Dth é definido como a quantidade mínima de luz que deve ser absorvida pelas moléculas de fotossensibilizador (FS) dentro das células malignas a serem tratadas para que ocorra a morte celular por necrose ou apoptose. Os resultados do estudo da captação de FS por células Hep G2 demonstraram que uma população celular de linhagem, cultivada em monocamada, apresenta captação de Photogem (PG) heterogênea, ou seja, algumas células têm maior capacidade de captar moléculas de PG, outras células captam o PG em menor quantidade. A captação heterogênea de PG pode ser a causa para fenômenos de seleção de células mais resistentes à TFD. É razoável supor que as subpopulações celulares de uma mesma massa de células malignas possam apresentar diferentes valores de Dth. Definiu-se uma função de distribuição das doses limiares (g()) como uma função de distribuição gaussiana, e para a sua parametrização desenvolveu-se um método para o cultivo in vitro de culturas tridimensionais (culturas 3D), mais fidedignas ao tecido neoplásico maligno que as culturas tradicionais. Utilizando-se o método de levitação magnética (MLM) e o método de impressão magnética (MIM) para a dosimetria da TFD, foi possível parametrizar a g(Dth), investigar a resistência celular à TFD. O MLM demonstrou ser facilmente manuseável na rotina experimental, e consistente para o teste in vitro de novos FS. Comparando-se as culturas MDA-MB-231e Hep G2, obtidas por MLM por mais de 185 horas de levitação, pode-se concluir que as células Hep G2 formaram uma estrutura celular mais densa e que ofereceu mais resistência ao dano causado pela TFD. É notável como as células Hep G2 retomaram o crescimento, e restabeleceram-se em cultura de modo semelhante ao grupo controle, por meio da reconstrução da matriz extracelular (MEC). Enquanto isso, no caso das células MDA-MB-231, a integridade da cultura não foi restabelecida após a aplicação da TFD, formando uma cultura fragmentada. O dano mais evidente, para ambas as culturas, foi observado nas margens dos tumores, evidenciando que os componentes importantes da reação fotodinâmica, como o fotossensibilizador, a luz e o oxigênio, estavam presentes em maiores quantidades na superfície da cultura, em comparação às outras regiões tumorais. Os resultados obtidos demonstram que para o Photogem (PG) é necessária uma fluência de luz da ordem de 40 J.cm-2, para que o efeito fotodinâmico promova morte celular nas culturas 3D obtidas pelo MLM. O resultado da combinação de dois tipos celulares, o maligno (MDA-MB-231) e o sadio (HPF), demonstrou que o efeito fotodinâmico é efetivo quando se tem controle adequado da entrega dos agentes da terapia, independentemente do tipo celular. Algumas células sobreviveram ao tratamento, e existe um forte indicativo de que a presença de fibroblastos HPF esteja relacionada a esta pequena parcela de células que receberam dose de luz inferior ao seu Dth. Os resultados demonstraram que quanto maior a fluência de luz, menor é o IC50 do PG. Para a fluência de luz de 60 J.cm-1 obteve-se um IC50 de 3,1 μg.mL-1, e para a fluência de luz de 30 J.cm-1 obteve-se um IC50 de 18,0 μg.mL-1. / Photodynamic therapy (PDT) dosimetry includes a central concept: the threshold dose (Dth), which is the minimum amount of light to be absorbed by the photosensitizer (PS) molecules to induce irreversible oxidative damage, and hence to cause cell death by necrosis or apoptosis. It is reasonable to assume that cells subpopulation in one individual tumor cell mass may present different Dth values, which implies the existence of a distribution of Dth values defined by a Gauss distribution function (g(Dth)). Developing methods for more realistic tissue emulation with in vitro cultures, such as three-dimensional (3D) cultures, have been encouraged aiming to avoid the above-mentioned dissimilarities. A 3D cell culture is preferable compared to monolayer cell cultures, because it provides cell-cell and cell-substrate interaction, and makes evaluating a culture and its volumetric dimension (which resembles the tumor morphology) possible. This study also includes the development of a 3D model, using the magnetic levitation method (MLM) and the magnetic printing method (MIM, from Portuguese método de impressão magnetic) for PDT dosimetry. The aim is to define parameters for g(Dth), to investigate cell resistance to PDT, and to achieve a fast and consistent method for new PS in vitro tests. By comparing cultures from the different cell types studied, the ones obtained by MLM for more than 185 hours were found to present a denser cellular structure, which provided improved resistance to PDT-induced damage. Hep G2 cells showed a remarkable behavior by being able to recover culture integrity; meanwhile MDA-MB-231 cells were not able to do so. The most evident damage, for both cell culture types, was observed on tumor margins, showing that the main elements to play a role in PDT reaction (PS, light and oxygen) were present in larger quantities, at culture surface, when compared with internal regions of the cell culture. Results obtained for PG show that a light fluence of about 40 J.cm-2 is required to induce cell death by photodynamic effect on 3D cells obtained by MLM. A combination of two different cell types - a tumor cell line and a healthy cell line - shows clearly that there is no difference for the photodynamic outcome if one holds enough control on the therapeutic parameters. The results presented in this thesis show that even a strain cell population, grown in a monolayer cell culture, results in a non-homogeneous PG uptake, which means that part of the cells seems to be able to collect PG molecules more efficiently than other cells. This difference in collection among cells may be the cause of a selection of cells that are more \"resistant\" to PDT. There were cells that survived treatment, and the presence of HPF fibroblasts might be the cause of these surviving cells, since their Dth might have not been achieved. The results showed that as higher is the light fluence, as lower is the IC50 of PG. The fluence of 60 and 30 J.cm-1 resulted in IC50 of 3.1 and 18.0 μg.mL-1, respectively.

Um conceito central na dosimetria da terapia fotodinâmica (TFD) é o limiar de dose (Dth do inglês threshold dose). O Dth é definido como a quantidade mínima de luz que deve ser absorvida pelas moléculas de fotossensibilizador (FS) dentro das células malignas a serem tratadas para que ocorra a morte celular por necrose ou apoptose. Os resultados do estudo da captação de FS por células Hep G2 demonstraram que uma população celular de linhagem, cultivada em monocamada, apresenta captação de Photogem (PG) heterogênea, ou seja, algumas células têm maior capacidade de captar moléculas de PG, outras células captam o PG em menor quantidade. A captação heterogênea de PG pode ser a causa para fenômenos de seleção de células mais resistentes à TFD. É razoável supor que as subpopulações celulares de uma mesma massa de células malignas possam apresentar diferentes valores de Dth. Definiu-se uma função de distribuição das doses limiares (g()) como uma função de distribuição gaussiana, e para a sua parametrização desenvolveu-se um método para o cultivo in vitro de culturas tridimensionais (culturas 3D), mais fidedignas ao tecido neoplásico maligno que as culturas tradicionais. Utilizando-se o método de levitação magnética (MLM) e o método de impressão magnética (MIM) para a dosimetria da TFD, foi possível parametrizar a g(Dth), investigar a resistência celular à TFD. O MLM demonstrou ser facilmente manuseável na rotina experimental, e consistente para o teste in vitro de novos FS. Comparando-se as culturas MDA-MB-231e Hep G2, obtidas por MLM por mais de 185 horas de levitação, pode-se concluir que as células Hep G2 formaram uma estrutura celular mais densa e que ofereceu mais resistência ao dano causado pela TFD. É notável como as células Hep G2 retomaram o crescimento, e restabeleceram-se em cultura de modo semelhante ao grupo controle, por meio da reconstrução da matriz extracelular (MEC). Enquanto isso, no caso das células MDA-MB-231, a integridade da cultura não foi restabelecida após a aplicação da TFD, formando uma cultura fragmentada. O dano mais evidente, para ambas as culturas, foi observado nas margens dos tumores, evidenciando que os componentes importantes da reação fotodinâmica, como o fotossensibilizador, a luz e o oxigênio, estavam presentes em maiores quantidades na superfície da cultura, em comparação às outras regiões tumorais. Os resultados obtidos demonstram que para o Photogem (PG) é necessária uma fluência de luz da ordem de 40 J.cm-2, para que o efeito fotodinâmico promova morte celular nas culturas 3D obtidas pelo MLM. O resultado da combinação de dois tipos celulares, o maligno (MDA-MB-231) e o sadio (HPF), demonstrou que o efeito fotodinâmico é efetivo quando se tem controle adequado da entrega dos agentes da terapia, independentemente do tipo celular. Algumas células sobreviveram ao tratamento, e existe um forte indicativo de que a presença de fibroblastos HPF esteja relacionada a esta pequena parcela de células que receberam dose de luz inferior ao seu Dth. Os resultados demonstraram que quanto maior a fluência de luz, menor é o IC50 do PG. Para a fluência de luz de 60 J.cm-1 obteve-se um IC50 de 3,1 μg.mL-1, e para a fluência de luz de 30 J.cm-1 obteve-se um IC50 de 18,0 μg.mL-1. / Photodynamic therapy (PDT) dosimetry includes a central concept: the threshold dose (Dth), which is the minimum amount of light to be absorbed by the photosensitizer (PS) molecules to induce irreversible oxidative damage, and hence to cause cell death by necrosis or apoptosis. It is reasonable to assume that cells subpopulation in one individual tumor cell mass may present different Dth values, which implies the existence of a distribution of Dth values defined by a Gauss distribution function (g(Dth)). Developing methods for more realistic tissue emulation with in vitro cultures, such as three-dimensional (3D) cultures, have been encouraged aiming to avoid the above-mentioned dissimilarities. A 3D cell culture is preferable compared to monolayer cell cultures, because it provides cell-cell and cell-substrate interaction, and makes evaluating a culture and its volumetric dimension (which resembles the tumor morphology) possible. This study also includes the development of a 3D model, using the magnetic levitation method (MLM) and the magnetic printing method (MIM, from Portuguese método de impressão magnetic) for PDT dosimetry. The aim is to define parameters for g(Dth), to investigate cell resistance to PDT, and to achieve a fast and consistent method for new PS in vitro tests. By comparing cultures from the different cell types studied, the ones obtained by MLM for more than 185 hours were found to present a denser cellular structure, which provided improved resistance to PDT-induced damage. Hep G2 cells showed a remarkable behavior by being able to recover culture integrity; meanwhile MDA-MB-231 cells were not able to do so. The most evident damage, for both cell culture types, was observed on tumor margins, showing that the main elements to play a role in PDT reaction (PS, light and oxygen) were present in larger quantities, at culture surface, when compared with internal regions of the cell culture. Results obtained for PG show that a light fluence of about 40 J.cm-2 is required to induce cell death by photodynamic effect on 3D cells obtained by MLM. A combination of two different cell types - a tumor cell line and a healthy cell line - shows clearly that there is no difference for the photodynamic outcome if one holds enough control on the therapeutic parameters. The results presented in this thesis show that even a strain cell population, grown in a monolayer cell culture, results in a non-homogeneous PG uptake, which means that part of the cells seems to be able to collect PG molecules more efficiently than other cells. This difference in collection among cells may be the cause of a selection of cells that are more \"resistant\" to PDT. There were cells that survived treatment, and the presence of HPF fibroblasts might be the cause of these surviving cells, since their Dth might have not been achieved. The results showed that as higher is the light fluence, as lower is the IC50 of PG. The fluence of 60 and 30 J.cm-1 resulted in IC50 of 3.1 and 18.0 μg.mL-1, respectively.

A Terapia fotodinâmica (TFD) é uma conhecida opção terapêutica para diversos tipos de lesões malignas e não-malignas. A TFD age por meio de uma reação fotoquímica, formando agentes oxidativos que causam inúmeros danos às estruturas subcelulares e posterior morte da célula. Em grande parte dos casos são necessárias várias sessões da TFD para erradicação completa da lesão neoplásica. No entanto, vários estudos clínicos têm sido publicados mostrando recrescimento tumoral e um aumento na resistência do tumor às sessões posteriores da TFD. Neste estudo apresentamos um modelo teórico para descrever os efeitos causados por sucessivas sessões da TFD quando ocorre recrescimento tumoral. Para isso, considera-se uma distribuição de dose limiar que representa a variedade celular de um modelo teórico de tumor. A existência de uma variedade de células com diferentes doses limiares pode ser a causa de uma resposta parcial do tecido à terapia, implicando em recrescimento do tecido tumoral. Neste modelo, assume-se que esta distribuição de dose limiar é representada por uma distribuição Gaussiana modificada. Em termos de dose limiar, valores mais altos implicam em maior resistência à TFD. Se a distribuição é larga, o tratamento não é capaz de eliminar todas as células. A fração de células que sobrevivem promovem o recrescimento tumoral; no entanto, a população de células no tumor recrescido apresenta diferentes características quando comparada com a população de células do tumor original. Para avaliar a ocorrência da seleção das células mais resistentes foi realizada uma investigação sobre as alterações da resposta das células tumorais, após múltiplas sessões da terapia fotodinâmica. Para simular este tipo de procedimento foram realizadas sucessivas sessões da TFD em culturas de células de hepatocarcinoma (HepG2). Entre as sessões de TFD foi aguardado um intervalo de tempo suficiente para que as células sobreviventes se reproduzissem e formassem uma nova cultura celular. O fotossensibilizador utilizado nos experimentos foi o Photogem® e a iluminação realizada em 630 ± 10nm. Os resultados dos experimentos in vitro forneceram evidências do aumento da resistência das células neoplásicas da linhagem HepG2 após sucessivas aplicações da TFD. Este aumento é previsto pelo modelo teórico e pode estar relacionado com a variação das características da população celular, que é expressa neste modelo pela distribuição de dose limiar. No entanto, o aumento da resistência da população celular à TFD previsto pelo modelo teórico é mais acentuado do que o aumento observado no experimento com culturas celulares, portanto, mais estudos serão necessários para adequar o modelo à condição real. Com base na variabilidade das células tumorais, as simulações demonstraram que a dose de luz insuficiente pode induzir um aumento da resistência do tumor às posteriores sessões da TFD. Este modelo poderá ser utilizado para avaliar qual o tipo de distribuição de dose limiar pode-se encontrar em tumores reais e quais as conseqüências causadas pela atenuação da luz em função da profundidade do tumor. A idéia apresentada neste estudo motivará novos estudos para identificar a importância da distribuição de dose limiar em tumores submetidos à TFD. / Photodynamic therapy is a well known treatment option for many types of malignant and nonmalignant lesions. This technique causes cell damage through a photochemical reaction, generating oxidative agents responsible for tumor cell killing. In several cases, multiple PDT-sessions are needed to promote cancer eradication. However, several clinical studies have been reported an increase of tumor resistance after a PDT-session. We present a theoretical model to describe the effects caused by successive PDT sessions based on the consequences of a partial response caused by the threshold dose distribution within the hypothetical tumor. In this model, we assume that this threshold dose distribution is represented by a Modified Gaussian Distribution. In terms of threshold dose, higher values imply higher resistance to PDT. If the distribution is broad, the treatment cannot result in the killing of all tumor cells. The survival cell fraction promotes a tumor regrowth with different characteristics compared to the original cell population. We applied the model in a hypothetical tumor to exemplify the idea here presented. The qualitative analysis extracted from our theoretical model shows a behavior that is in agreement with results obtained in our results from in vitro experiments and several clinical observations. To investigate the occurrence of a selection of higher threshold dose cells, an experiment that evaluated the response of tumor cells after multiple sessions of photodynamic therapy was carried out. To simulate this procedure, successive sessions of PDT in hepatocellular carcinoma cells (HepG2) were performed. A time interval between PDT-sessions was respected to allow surviving cells division, resulting in a new cell culture. The photosensitizer used in the experiments was Photogem® and a 630 ± 10nm irradiation was performed. The result of in vitro experiments provided evidence of increasing resistance of HepG2 cells after successive PDT-sessions. This increase is predicted by the theoretical model and may be related to variations in the tumor cell population, which is expressed by the variation of the distribution of threshold dose, according to the model. However, the increased PDT resistance of the cell population provided by the theoretical model is more pronounced than the one experimentally observed. Based on tumor cell variability, the simulations demonstrated that insufficient light dose can induce an increase in tumor resistance to further PDT sessions. This model maybe used to evaluate which type of threshold dose distribution we can find in real tumors, and the consequences caused by light attenuation observed from the illuminated surface and deeper tumor regions. This proposed model shows relative agreement to clinical literature. However, further experimental observations shall improve the model here presented. The idea presented in this study shall motivate further studies to identify the importance of cell threshold distribution in tumors submitted to PDT techniques.

A Terapia fotodinâmica (TFD) é uma conhecida opção terapêutica para diversos tipos de lesões malignas e não-malignas. A TFD age por meio de uma reação fotoquímica, formando agentes oxidativos que causam inúmeros danos às estruturas subcelulares e posterior morte da célula. Em grande parte dos casos são necessárias várias sessões da TFD para erradicação completa da lesão neoplásica. No entanto, vários estudos clínicos têm sido publicados mostrando recrescimento tumoral e um aumento na resistência do tumor às sessões posteriores da TFD. Neste estudo apresentamos um modelo teórico para descrever os efeitos causados por sucessivas sessões da TFD quando ocorre recrescimento tumoral. Para isso, considera-se uma distribuição de dose limiar que representa a variedade celular de um modelo teórico de tumor. A existência de uma variedade de células com diferentes doses limiares pode ser a causa de uma resposta parcial do tecido à terapia, implicando em recrescimento do tecido tumoral. Neste modelo, assume-se que esta distribuição de dose limiar é representada por uma distribuição Gaussiana modificada. Em termos de dose limiar, valores mais altos implicam em maior resistência à TFD. Se a distribuição é larga, o tratamento não é capaz de eliminar todas as células. A fração de células que sobrevivem promovem o recrescimento tumoral; no entanto, a população de células no tumor recrescido apresenta diferentes características quando comparada com a população de células do tumor original. Para avaliar a ocorrência da seleção das células mais resistentes foi realizada uma investigação sobre as alterações da resposta das células tumorais, após múltiplas sessões da terapia fotodinâmica. Para simular este tipo de procedimento foram realizadas sucessivas sessões da TFD em culturas de células de hepatocarcinoma (HepG2). Entre as sessões de TFD foi aguardado um intervalo de tempo suficiente para que as células sobreviventes se reproduzissem e formassem uma nova cultura celular. O fotossensibilizador utilizado nos experimentos foi o Photogem® e a iluminação realizada em 630 ± 10nm. Os resultados dos experimentos in vitro forneceram evidências do aumento da resistência das células neoplásicas da linhagem HepG2 após sucessivas aplicações da TFD. Este aumento é previsto pelo modelo teórico e pode estar relacionado com a variação das características da população celular, que é expressa neste modelo pela distribuição de dose limiar. No entanto, o aumento da resistência da população celular à TFD previsto pelo modelo teórico é mais acentuado do que o aumento observado no experimento com culturas celulares, portanto, mais estudos serão necessários para adequar o modelo à condição real. Com base na variabilidade das células tumorais, as simulações demonstraram que a dose de luz insuficiente pode induzir um aumento da resistência do tumor às posteriores sessões da TFD. Este modelo poderá ser utilizado para avaliar qual o tipo de distribuição de dose limiar pode-se encontrar em tumores reais e quais as conseqüências causadas pela atenuação da luz em função da profundidade do tumor. A idéia apresentada neste estudo motivará novos estudos para identificar a importância da distribuição de dose limiar em tumores submetidos à TFD. / Photodynamic therapy is a well known treatment option for many types of malignant and nonmalignant lesions. This technique causes cell damage through a photochemical reaction, generating oxidative agents responsible for tumor cell killing. In several cases, multiple PDT-sessions are needed to promote cancer eradication. However, several clinical studies have been reported an increase of tumor resistance after a PDT-session. We present a theoretical model to describe the effects caused by successive PDT sessions based on the consequences of a partial response caused by the threshold dose distribution within the hypothetical tumor. In this model, we assume that this threshold dose distribution is represented by a Modified Gaussian Distribution. In terms of threshold dose, higher values imply higher resistance to PDT. If the distribution is broad, the treatment cannot result in the killing of all tumor cells. The survival cell fraction promotes a tumor regrowth with different characteristics compared to the original cell population. We applied the model in a hypothetical tumor to exemplify the idea here presented. The qualitative analysis extracted from our theoretical model shows a behavior that is in agreement with results obtained in our results from in vitro experiments and several clinical observations. To investigate the occurrence of a selection of higher threshold dose cells, an experiment that evaluated the response of tumor cells after multiple sessions of photodynamic therapy was carried out. To simulate this procedure, successive sessions of PDT in hepatocellular carcinoma cells (HepG2) were performed. A time interval between PDT-sessions was respected to allow surviving cells division, resulting in a new cell culture. The photosensitizer used in the experiments was Photogem® and a 630 ± 10nm irradiation was performed. The result of in vitro experiments provided evidence of increasing resistance of HepG2 cells after successive PDT-sessions. This increase is predicted by the theoretical model and may be related to variations in the tumor cell population, which is expressed by the variation of the distribution of threshold dose, according to the model. However, the increased PDT resistance of the cell population provided by the theoretical model is more pronounced than the one experimentally observed. Based on tumor cell variability, the simulations demonstrated that insufficient light dose can induce an increase in tumor resistance to further PDT sessions. This model maybe used to evaluate which type of threshold dose distribution we can find in real tumors, and the consequences caused by light attenuation observed from the illuminated surface and deeper tumor regions. This proposed model shows relative agreement to clinical literature. However, further experimental observations shall improve the model here presented. The idea presented in this study shall motivate further studies to identify the importance of cell threshold distribution in tumors submitted to PDT techniques.

Em tecidos biológicos lesados, a viscoelasticidade é a propriedade física que mais se modifica em relação ao tecido normal. Palpação manual é geralmente usada para identificar estas lesões, tais como nódulos e cistos. Recentemente, vários estudos envolvendo técnicas ultrassônicas e de ressonância magnética, denominadas elastografia, têm sido empregadas para avaliar as propriedades viscoelásticas dessas lesões. Uma das dificuldades neste tipo de estudo está relacionada ao desenvolvimento de simuladores de tecidos biológicos com inclusões equivalentes, uma vez que, essas estruturas lesadas originam-se a partir do próprio tecido biológico. Com base nessas motivações, técnicas quantitativas de elastografia por ressonância magnética e ultrassom foram exploradas para avaliar lesões simuladas em fantomas viscoelásticos. Estas lesões, com diferentes propriedades viscoelásticas, foram geradas no interior de um fantoma usando radiação ionizante. Os fantomas, também conhecidos como gel dosimétrico, foram desenvolvidos a base de pele animal, e irradiados utilizando um sistema de terapia de radiação convencional. Imagens de relaxometria por ressonância magnética (RRM) foram adquiridas nestes fantomas e usadas como referência padrão da dose absorvida e de sua distribuição. Os perfis da distribuição de dose avaliados nessas imagens de RRM e pelo sistema de planejamento radioterápico TPS 3D foram comparados aos de rigidez das imagens elastográficas. O estudo elastográfico nestes fantomas foi realizado utilizando os métodos de Vibroacustografia (VA), Vibrometria por Ultrassom (VU) e Elastografia por Ressonância Magnética (ERM). O segundo objetivo desta tese foi explorar a viabilidade de existência de speckle em imagens de vibroacustografia. Para testar essa idéia, um modelo tridimensional (3D) para a função de espalhamento de ponto (PSF) do sistema de VA foi simulada. O código da simulação foi desenvolvido em ambiente MATLAB e empregando sub-rotinas do programa Field II para simulação numérica dos transdutores. Imagens de ultrassom modo-B (IUSB) e vibroacustografia foram simuladas usando esse modelo de PSF-3D para um transdutor esférico e confocal, respectivamente. Essas IUSB foram simuladas para servir como um parâmetro comparativo com as imagens geradas por VA. As imagens de ultrassom foram exibidas em um plano tomográfico que corresponde ao plano de imagem da VA. As simulações foram realizadas utilizando um cluster de computadores de alto desempenho. Todas as imagens foram simuladas empregando um modelo de fantoma virtual não homogêneo com dimensões de (10 × 10 × 50) mm3. Os resultados preliminares mostraram um padrão de interferência nas imagens de VA, semelhantes à speckles, obtidas empregando o transdutor confocal. Estas imagens foram produzidas a partir de espalhadores localizados no interior do volume da célula de resolução da PSF-3D. / The viscoelasticity of injured biological tissues is the physical property that changes the most in relation to normal tissue. Manual palpation is commonly used to identify these lesions, such as nodules and cysts. Recently, several studies involving ultrasound and magnetic resonance imaging techniques, called elastography, have been employed to assess the viscoelastic properties of these lesions. One difficulty in this type of study is related to the development of biological tissues mimicking materials with similar inclusions, once these injured structures originate from anomalies within the biological tissue. Based on these motivations, quantitative elastographic techniques based on magnetic resonance and ultrasound modalities have been used to assess injuries in viscoelastic mimicking-tissue phantom materials. These lesions, with different viscoelastic properties, were generated within a phantom using ionizing radiation. The phantoms, also known as dosimeter gel, were developed based on animal skin powder, and irradiated using a conventional radiation therapy system. Magnetic resonance relaxometry images (MRR) were acquired in these phantoms, and were used as absorbed dose standard reference and its distribution. The estimated dose distribution profiles from these images and the ones provided by TPS 3D software radiotherapy planning system were compared to the elastograms. The elastographic studies were conducted using Vibro-acoustography (VA), Magnetic Resonance Elastography (MRE) and Shearwave Dispersion Ultrasound Vibrometry (SDUV) techniques. The second goal of this thesis was to explore the feasibility of speckle existence in vibro-acoustography images. To test that, a three-dimensional (3D) model for the systems point spread function (PSF) was simulated. The simulation code was implemented in MATLAB and using the program Field II subroutines. The numerical simulations were performed using a cluster of high performance computers. B-mode ultrasound and VA images were simulated using that PSF 3D model, for a spherically focused and a confocal transducer, respectively. These B-mode images were simulated as a comparative parameter to the images generated by VA. The B-mode ultrasound images were displayed in a tomographic plane corresponding to the VA imaging plane. All images were simulated using a virtual phantom with dimensions (10 × 10 × 50) mm3. Preliminary results showed a interference pattern in VA images taken with a confocal transducer. These images were produced from scatterers located inside the PSF resolution cell volume.

Em tecidos biológicos lesados, a viscoelasticidade é a propriedade física que mais se modifica em relação ao tecido normal. Palpação manual é geralmente usada para identificar estas lesões, tais como nódulos e cistos. Recentemente, vários estudos envolvendo técnicas ultrassônicas e de ressonância magnética, denominadas elastografia, têm sido empregadas para avaliar as propriedades viscoelásticas dessas lesões. Uma das dificuldades neste tipo de estudo está relacionada ao desenvolvimento de simuladores de tecidos biológicos com inclusões equivalentes, uma vez que, essas estruturas lesadas originam-se a partir do próprio tecido biológico. Com base nessas motivações, técnicas quantitativas de elastografia por ressonância magnética e ultrassom foram exploradas para avaliar lesões simuladas em fantomas viscoelásticos. Estas lesões, com diferentes propriedades viscoelásticas, foram geradas no interior de um fantoma usando radiação ionizante. Os fantomas, também conhecidos como gel dosimétrico, foram desenvolvidos a base de pele animal, e irradiados utilizando um sistema de terapia de radiação convencional. Imagens de relaxometria por ressonância magnética (RRM) foram adquiridas nestes fantomas e usadas como referência padrão da dose absorvida e de sua distribuição. Os perfis da distribuição de dose avaliados nessas imagens de RRM e pelo sistema de planejamento radioterápico TPS 3D foram comparados aos de rigidez das imagens elastográficas. O estudo elastográfico nestes fantomas foi realizado utilizando os métodos de Vibroacustografia (VA), Vibrometria por Ultrassom (VU) e Elastografia por Ressonância Magnética (ERM). O segundo objetivo desta tese foi explorar a viabilidade de existência de speckle em imagens de vibroacustografia. Para testar essa idéia, um modelo tridimensional (3D) para a função de espalhamento de ponto (PSF) do sistema de VA foi simulada. O código da simulação foi desenvolvido em ambiente MATLAB e empregando sub-rotinas do programa Field II para simulação numérica dos transdutores. Imagens de ultrassom modo-B (IUSB) e vibroacustografia foram simuladas usando esse modelo de PSF-3D para um transdutor esférico e confocal, respectivamente. Essas IUSB foram simuladas para servir como um parâmetro comparativo com as imagens geradas por VA. As imagens de ultrassom foram exibidas em um plano tomográfico que corresponde ao plano de imagem da VA. As simulações foram realizadas utilizando um cluster de computadores de alto desempenho. Todas as imagens foram simuladas empregando um modelo de fantoma virtual não homogêneo com dimensões de (10 × 10 × 50) mm3. Os resultados preliminares mostraram um padrão de interferência nas imagens de VA, semelhantes à speckles, obtidas empregando o transdutor confocal. Estas imagens foram produzidas a partir de espalhadores localizados no interior do volume da célula de resolução da PSF-3D. / The viscoelasticity of injured biological tissues is the physical property that changes the most in relation to normal tissue. Manual palpation is commonly used to identify these lesions, such as nodules and cysts. Recently, several studies involving ultrasound and magnetic resonance imaging techniques, called elastography, have been employed to assess the viscoelastic properties of these lesions. One difficulty in this type of study is related to the development of biological tissues mimicking materials with similar inclusions, once these injured structures originate from anomalies within the biological tissue. Based on these motivations, quantitative elastographic techniques based on magnetic resonance and ultrasound modalities have been used to assess injuries in viscoelastic mimicking-tissue phantom materials. These lesions, with different viscoelastic properties, were generated within a phantom using ionizing radiation. The phantoms, also known as dosimeter gel, were developed based on animal skin powder, and irradiated using a conventional radiation therapy system. Magnetic resonance relaxometry images (MRR) were acquired in these phantoms, and were used as absorbed dose standard reference and its distribution. The estimated dose distribution profiles from these images and the ones provided by TPS 3D software radiotherapy planning system were compared to the elastograms. The elastographic studies were conducted using Vibro-acoustography (VA), Magnetic Resonance Elastography (MRE) and Shearwave Dispersion Ultrasound Vibrometry (SDUV) techniques. The second goal of this thesis was to explore the feasibility of speckle existence in vibro-acoustography images. To test that, a three-dimensional (3D) model for the systems point spread function (PSF) was simulated. The simulation code was implemented in MATLAB and using the program Field II subroutines. The numerical simulations were performed using a cluster of high performance computers. B-mode ultrasound and VA images were simulated using that PSF 3D model, for a spherically focused and a confocal transducer, respectively. These B-mode images were simulated as a comparative parameter to the images generated by VA. The B-mode ultrasound images were displayed in a tomographic plane corresponding to the VA imaging plane. All images were simulated using a virtual phantom with dimensions (10 × 10 × 50) mm3. Preliminary results showed a interference pattern in VA images taken with a confocal transducer. These images were produced from scatterers located inside the PSF resolution cell volume.