Imagem por ressonância magnética tem sido um dos principais métodos para a aquisição de imagens para diagnósticos na medicina, em especial para a obtenção de medidas do cérebro. Apesar de se mostrar muito eficiente, o método atualmente utilizado para a realização da ressonância em hospitais e centros de diagnósticos, em alguns casos, necessita da aplicação de um contraste de gadolínio intravenoso. Essa injeção do contraste pode mostrar-se um tanto quanto invasivo, podendo em alguns casos resultar em algumas reações indesejadas nos pacientes. Em vista disso, um método que tem sido bastante estudado recentemente e muito promissor é o de Arterial Spin Labeling (ASL). Este método tem como sua principal vantagem o fato de não ser invasivo e de possibilitar a quantificação da perfusão sanguínea cerebral (CBF). No presente trabalho, foi feita uma otimização do contraste na aquisição das fases mais tardias da metodologia de ASL em múltiplas fases. Isso foi feito através de uma modulação do angulo de flip e é particularmente importante para a análise das imagens de pacientes com problemas neurovasculares, principalmente aqueles associados ao retardo nos tempos de trânsito do sangue arterial. Também, foi realizada toda a obtenção e processamento de dados para a avaliação da perfusão sanguínea cerebral utilizando o método proposto. / Magnetic resonance imaging has been one of the major methods to acquire images for medical diagnoses, specially, for obtaining brain images. Although the major method using magnetic resonance used today has high efficiency, in some cases it needs an injection of intravascular contrast agent, like gadolinium. This contrast agent application can be a lot invasive for the patient, in extremes cases resulting to allergic reactions the patient. Therefore, a method that has been studied recently and is very promising is the Arterial Spin Labeling (ASL). This method has the major advantage the feature that it is completely non invasive for the patient and it allows to quantify the perfusion value. In this work, it was implemented an optimization of the contrast in the late phases of ASL multiphase acquisition. It was made using a modulation of the flip angle and it is critical to analyze images from patients with some neurovascular disease, especially those associated with arterial blood transit time delay. Besides that, it was made all data acquisition and data processing for the brain perfusion evaluation using the proposed method.

Imagem por ressonância magnética tem sido um dos principais métodos para a aquisição de imagens para diagnósticos na medicina, em especial para a obtenção de medidas do cérebro. Apesar de se mostrar muito eficiente, o método atualmente utilizado para a realização da ressonância em hospitais e centros de diagnósticos, em alguns casos, necessita da aplicação de um contraste de gadolínio intravenoso. Essa injeção do contraste pode mostrar-se um tanto quanto invasivo, podendo em alguns casos resultar em algumas reações indesejadas nos pacientes. Em vista disso, um método que tem sido bastante estudado recentemente e muito promissor é o de Arterial Spin Labeling (ASL). Este método tem como sua principal vantagem o fato de não ser invasivo e de possibilitar a quantificação da perfusão sanguínea cerebral (CBF). No presente trabalho, foi feita uma otimização do contraste na aquisição das fases mais tardias da metodologia de ASL em múltiplas fases. Isso foi feito através de uma modulação do angulo de flip e é particularmente importante para a análise das imagens de pacientes com problemas neurovasculares, principalmente aqueles associados ao retardo nos tempos de trânsito do sangue arterial. Também, foi realizada toda a obtenção e processamento de dados para a avaliação da perfusão sanguínea cerebral utilizando o método proposto. / Magnetic resonance imaging has been one of the major methods to acquire images for medical diagnoses, specially, for obtaining brain images. Although the major method using magnetic resonance used today has high efficiency, in some cases it needs an injection of intravascular contrast agent, like gadolinium. This contrast agent application can be a lot invasive for the patient, in extremes cases resulting to allergic reactions the patient. Therefore, a method that has been studied recently and is very promising is the Arterial Spin Labeling (ASL). This method has the major advantage the feature that it is completely non invasive for the patient and it allows to quantify the perfusion value. In this work, it was implemented an optimization of the contrast in the late phases of ASL multiphase acquisition. It was made using a modulation of the flip angle and it is critical to analyze images from patients with some neurovascular disease, especially those associated with arterial blood transit time delay. Besides that, it was made all data acquisition and data processing for the brain perfusion evaluation using the proposed method.

O processo de envelhecimento é acompanhado por um declínio nas funções cognitivas, principalmente, de funções fluidas ou de processamento. Essas diminuições são pelo menos, em parte, devido a alterações estruturais e funcionais do sistema nervoso central. Uma abordagem para estudar as mudanças funcionais é a medição da utilização metabólica regional da glicose, ou, alternativamente, um parâmetro físico correlacionado ao metabolismo cerebral e à atividade funcional local, como o fluxo sanguíneo cerebral (CBF). Neste contexto, em Imagens por Ressonância Magnética (IRM), a técnica de Marcação dos Spins Arteriais (ASL) surge como uma importante ferramenta não invasiva para análises perfusionais. Seu uso não só permite avaliar a perfusão sanguínea cerebral, gerando mapas quantitativos de CBF, mas também fornecer uma alternativa para estudar a conectividade funcional (FC), um parâmetro importante para descrição da topologia e funcionalidade cerebral. Sessenta e três indivíduos saudáveis, na faixa etária entre dezoito à setenta e dois anos, foram recrutados para participar deste estudo. Análises estatísticas mostram uma diminuição de CBF em várias regiões cerebrais, especialmente nos lobos frontal e temporal, que acompanham o processo de envelhecimento. As medidas de FC foram obtidas em análises por regiões de interesse e teoria de grafos; estas também demostraram uma diminuição, com o avanço da idade, em regiões presentes nos lobos frontal e temporal, mas também relataram um maior número de regiões prejudicadas no lobo parietal. Portanto, usando uma técnica de imagem não invasiva, foi possível observar déficits de CBF além de alterações de aspectos da organização funcional, oferecendo valores quantitativos que podem ajudar na melhor descrição dos efeitos do envelhecimento na hemodinâmica cerebral. / Aging process is accompanied by a decline in cognitive functions foremost comprise fluid or processing-based functions. These decreases are at least partly due to structural and functional deteriorating changes of the central nervous system. One approach to study these functional changes is the measurement of the regional metabolic utilization of glucose, or, alternatively, a physical quantity correlated to cerebral metabolism and local functional activity, such as the cerebral blood flow (CBF). In this context, Arterial spin labeling (ASL) emerges as a noninvasive Magnetic Resonance Imaging (MRI) perfusion technique. Its use not only allows assessing cerebral perfusion, by generating CBF values, but also can provide an alternative to study functional connectivity (FC), which is an important parameter that describes the brain topology and functionality. Sixty-three healthy subjects, from age eighteen to seventy-two years, were recruited to participate in this study. ASL-CBF maps showed a decrease in several brain regions, especially in frontal and temporal lobes that follows aging process. FC measures were assessed with regions of interest (ROI-to-ROI) and graph theory analysis, also showing a decrease in regions present in frontal and temporal lobes, and also more impaired regions in the parietal lobe. Therefore, using a noninvasive imaging technique it was possible to observe CBF deficits besides alteration in aspects on functional organization, offering quantitative values that can help to describe better the aging effects on cerebral hemodynamics.

O processo de envelhecimento é acompanhado por um declínio nas funções cognitivas, principalmente, de funções fluidas ou de processamento. Essas diminuições são pelo menos, em parte, devido a alterações estruturais e funcionais do sistema nervoso central. Uma abordagem para estudar as mudanças funcionais é a medição da utilização metabólica regional da glicose, ou, alternativamente, um parâmetro físico correlacionado ao metabolismo cerebral e à atividade funcional local, como o fluxo sanguíneo cerebral (CBF). Neste contexto, em Imagens por Ressonância Magnética (IRM), a técnica de Marcação dos Spins Arteriais (ASL) surge como uma importante ferramenta não invasiva para análises perfusionais. Seu uso não só permite avaliar a perfusão sanguínea cerebral, gerando mapas quantitativos de CBF, mas também fornecer uma alternativa para estudar a conectividade funcional (FC), um parâmetro importante para descrição da topologia e funcionalidade cerebral. Sessenta e três indivíduos saudáveis, na faixa etária entre dezoito à setenta e dois anos, foram recrutados para participar deste estudo. Análises estatísticas mostram uma diminuição de CBF em várias regiões cerebrais, especialmente nos lobos frontal e temporal, que acompanham o processo de envelhecimento. As medidas de FC foram obtidas em análises por regiões de interesse e teoria de grafos; estas também demostraram uma diminuição, com o avanço da idade, em regiões presentes nos lobos frontal e temporal, mas também relataram um maior número de regiões prejudicadas no lobo parietal. Portanto, usando uma técnica de imagem não invasiva, foi possível observar déficits de CBF além de alterações de aspectos da organização funcional, oferecendo valores quantitativos que podem ajudar na melhor descrição dos efeitos do envelhecimento na hemodinâmica cerebral. / Aging process is accompanied by a decline in cognitive functions foremost comprise fluid or processing-based functions. These decreases are at least partly due to structural and functional deteriorating changes of the central nervous system. One approach to study these functional changes is the measurement of the regional metabolic utilization of glucose, or, alternatively, a physical quantity correlated to cerebral metabolism and local functional activity, such as the cerebral blood flow (CBF). In this context, Arterial spin labeling (ASL) emerges as a noninvasive Magnetic Resonance Imaging (MRI) perfusion technique. Its use not only allows assessing cerebral perfusion, by generating CBF values, but also can provide an alternative to study functional connectivity (FC), which is an important parameter that describes the brain topology and functionality. Sixty-three healthy subjects, from age eighteen to seventy-two years, were recruited to participate in this study. ASL-CBF maps showed a decrease in several brain regions, especially in frontal and temporal lobes that follows aging process. FC measures were assessed with regions of interest (ROI-to-ROI) and graph theory analysis, also showing a decrease in regions present in frontal and temporal lobes, and also more impaired regions in the parietal lobe. Therefore, using a noninvasive imaging technique it was possible to observe CBF deficits besides alteration in aspects on functional organization, offering quantitative values that can help to describe better the aging effects on cerebral hemodynamics.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-02-13T18:50:27Z No. of bitstreams: 1 thiagodossantosribeiro.pdf: 1282702 bytes, checksum: 3d347e1f5b2c2d1d122a47e12f71fc48 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-02-15T13:49:43Z (GMT) No. of bitstreams: 1 thiagodossantosribeiro.pdf: 1282702 bytes, checksum: 3d347e1f5b2c2d1d122a47e12f71fc48 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-15T13:49:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 thiagodossantosribeiro.pdf: 1282702 bytes, checksum: 3d347e1f5b2c2d1d122a47e12f71fc48 (MD5) Previous issue date: 2016-09-16 / Este trabalho tem como objetivo efetuar uma análise da sensibilidade da perfusão sanguínea e da condutividade térmica ao se simular processos de queimadura de pele devido a uma fonte de calor externa, considerando diferentes condições de contorno e utilizando o método dos elementos finitos (MEF) para discretizar a equação de Pennes. O modelo 2D aqui empregado considera um tecido biológico formado pelas camadas de epiderme, derme e subcutânea, e considera também funções não lineares para perfusão sanguínea e condutividade térmica. A hipótese não linear se explica pelo fato que para a perfusão sanguínea observa-se um aumento seguido de uma diminui¸ca˜o acima das temperaturas específicas resultantes de danos induzidos pelo aumento de temperatura nos capilares sanguíneos, e que a condutividade térmica varia linearmente com o aumento da temperatura. O sistema de equações diferenciais ordinárias não lineares oriundo da discretização via MEF é resolvido empregando-se o método de Euler implícito em conjunto com o método de Picard. Uma vez determinado a distribuição de temperatura, o modelo de Arrhenius será utilizado para calcular o dano térmico e classificar a queimadura quanto ao seu grau (ou seja, primeiro, segundo ou terceiro grau). / This paper aims at performing a sensitivity analysis of blood perfusion and thermal conductivity when simulating skin burning process due to an external heat source, considering different boundary conditions and using the finite element method (FEM) to discretize Pennes’s equation. The 2D model employed here considers a biological tissue formed by epidermis, dermis and subcutaneous layers, and also considers nonlinear functions for blood perfusion and thermal conductivity. The nonlinear assumption is explained by the fact that for the blood perfusion it is observed an increase followed by a decrease greater than the specific temperatures resulting from damage induced by temperature increase in blood capillaries, and also that the thermal conductivity varies linearly with temperature growth. The system of nonlinear ordinary differential equations arising from the discretization by FEM is solved by employing the implicit Euler method in conjunction with the method of Picard. Once the distribution of temperature is determined, the Arrhenius model is used to calculate the thermal damage and classify the burn degree (i.e., first, second or third degree).