A presença da Medicina Nuclear como modalidade de obtenção de imagens médicas é um dos principais procedimentos utilizados hoje nos centros de saúde, tendo como grande vantagem a capacidade de analisar o comportamento metabólico do paciente, traduzindo-se em diagnósticos precoces. Entretanto, sabe-se que a quantificação em Medicina Nuclear é dificultada por diversos fatores, entre os quais estão a correção de atenuação, espalhamento, algoritmos de reconstrução e modelos assumidos. Neste contexto, o principal objetivo deste projeto foi melhorar a acurácia e a precisão na análise de imagens de PET/CT via processos realísticos e bem controlados. Para esse fim, foi proposta a elaboração de uma estrutura modular, a qual está composta por um conjunto de passos consecutivamente interligados começando com a simulação de phantoms antropomórficos 3D para posteriormente gerar as projeções realísticas PET/CT usando a plataforma GATE (com simulação de Monte Carlo), em seguida é aplicada uma etapa de reconstrução de imagens 3D, na sequência as imagens são filtradas (por meio do filtro de Anscombe/Wiener para a redução de ruído Poisson caraterístico deste tipo de imagens) e, segmentadas (baseados na teoria Fuzzy Connectedness). Uma vez definida a região de interesse (ROI) foram produzidas as Curvas de Atividade de Entrada e Resultante requeridas no processo de análise da dinâmica de compartimentos com o qual foi obtida a quantificação do metabolismo do órgão ou estrutura de estudo. Finalmente, de uma maneira semelhante imagens PET/CT reais fornecidas pelo Instituto do Coração (InCor) do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (HC-FMUSP) foram analisadas. Portanto, concluiu-se que a etapa de filtragem tridimensional usando o filtro Anscombe/Wiener foi relevante e de alto impacto no processo de quantificação metabólica e em outras etapas importantes do projeto em geral. / The presence of Nuclear Medicine as a medical imaging modality is one of the main procedures utilized nowadays in medical centers, and the great advantage of that procedure is its capacity to analyze the metabolic behavior of the patient, resulting in early diagnoses. However, the quantification in Nuclear Medicine is known to be complicated by many factors, such as degradations due to attenuation, scattering, reconstruction algorithms and assumed models. In this context, the goal of this project is to improve the accuracy and the precision of quantification in PET/CT images by means of realistic and well-controlled processes. For this purpose, we proposed to develop a framework, which consists in a set of consecutively interlinked steps that is initiated with the simulation of 3D anthropomorphic phantoms. These phantoms were used to generate realistic PET/CT projections by applying the GATE platform (with Monte Carlo simulation). Then a 3D image reconstruction was executed, followed by a filtering process (using the Anscombe/Wiener filter to reduce Poisson noise characteristic of this type of images) and, a segmentation process (based on the Fuzzy Connectedness theory). After defining the region of interest (ROI), input activity and output response curves are required for the compartment analysis in order to obtain the Metabolic Quantification of the selected organ or structure. Finally, in the same manner real images provided from the Heart Institute (InCor) of Hospital das Clínicas, Faculty of Medicine, University of São Paulo (HC-FMUSP) were analysed. Therefore, it is concluded that the three-dimensional filtering step using the Ascombe/Wiener filter was preponderant and had a high impact on the metabolic quantification process and on other important stages of the whole project.

A presença que tem hoje a Medicina Nuclear como modalidade de obtenção de imagens médicas é muito importante e um dos principais procedimentos utilizados hoje nos centros de saúde, tendo como grande vantagem a capacidade de conseguir analisar o comportamento metabólico do paciente, fazendo possíveis diagnósticos precoces. Este projeto está baseado em imagens médicas obtidas através da modalidade PET (Positron Emission Tomography) a qual está tendo uma crescente difusão e aceitação. Para isso, temos desenvolvido uma estrutura integral de processamento de imagens tridimensionais PET, a qual está constituída por etapas consecutivas que se iniciam na obtenção das imagens padrões (gold standard), sendo utilizados volumes simulados ou phantoms do Ventrículo Esquerdo do Coração criadas como parte do projeto, assim como geradas a partir do software NCAT-4D. A seguir, nos volumes simulados, é introduzido ruído quântico tipo Poisson que é o ruído característico das imagens PET e feita uma análise que busca certificar que o ruído utilizado corresponde efetivamente ao ruído Poisson. Em sequência é executada a parte de pré-processamento, utilizando para este fim, um conjunto de filtros tais como o filtro da mediana, o filtro da Gaussiana ponderada e o filtro que mistura os conceitos da Transformada de Anscombe e o filtro pontual de Wiener. Posteriormente é aplicada a etapa de segmentação que é considerada a parte central da sequência de processamento. O processo de segmentação é baseado na teoria de Conectividade Fuzzy e para isso temos implementado quatro diferentes abordagens: Algoritmo Genérico, Algoritmo LIFO, Algoritmo kTetaFOEMS e o Algoritmo utilizando Pesos Dinâmicos. Sendo que os três primeiros algoritmos utilizam pesos específicos selecionados pelo usuário, foi preciso efetuar uma análise para determinar os melhores pesos de segmentação que se reflitam numa segmentação mais eficiente. Finalmente, para terminar a estrutura de processamento, um procedimento de avaliação foi utilizado como métrica para obter quantitativamente três parâmetros (Verdadeiro Positivo, Falso Positivo e Máxima Distância) que permitiram conhecer o nível de eficiência e precisão de nosso processo e do projeto em geral. Constatamos que os algoritmos implementados (filtros e algoritmos de segmentação) são bastante robustos e atingem ótimos resultados chegando-se a obter, para o caso do volume do Ventrículo Esquerdo simulado, taxas de VP e FP na ordem de 98.49 ± 0.27% e 2,19 ± 0.19%, respectivamente. Com o conjunto de procedimentos e escolhas feitas ao longo da estrutura de processamento, encerramos o projeto com a análise de um grupo de volumes produto de um exame PET real, obtendo a quantificação destes volumes. / The usefulness of Nuclear medicine nowadays as a modality to obtain medical images is very important, and it has turned into one of the main procedures utilized in Health Care Centers. Its great advantage is to analyze the metabolic behavior of the patient, by allowing early diagnosis. This project is based on medical images obtained by the PET modality (Positron Emission Tomography), which has won wide acceptance. Thus, we have developed an integral framework for processing Nuclear Medicine three-dimensional images of the PET modality, which is composed of consecutive steps that start with the generation of standard images (gold standard) by using simulated images or phantoms of the Left Ventricular Heart that were generated in this project, such as the ones obtained from the NCAT-4D software. Then Poisson quantum noise is introduced into the whole volume to simulate the characteristic noises in PET images and an analysis is performed in order to certify that the utilized noise is the Poisson noise effectively. Subsequently, the pre-processing is executed by using specific filters, such as the median filter, the weighted Gaussian filter, and the filter that joins the concepts of Anscombe Transformation and the Wiener filter. Then the segmentation, which is considered the most important and central part of the whole process, is implemented. The segmentation process is based on the Fuzzy Connectedness theory and for that purpose four different approaches were implemented: Generic algorithm, LIFO algorithm, kTetaFOEMS algorithm, and Dynamic Weight algorithm. Since the first three algorithms used specific weights that were selected by the user, an extra analysis was performed to determine the best segmentation constants that would reflect an accurate segmentation. Finally, at the end of the processing structure, an assessment procedure was used as a measurement tool to quantify some parameters that determined the level of efficiency and precision of our process and project. We have verified that the implemented algorithms (filters and segmentation algorithms) are fairly robust and achieve optimal results, assist to obtain, in the case of the Left Ventricular simulated, TP and FP rates in the order of 98.49 ± 0.27% and 2.19 ± 0.19%, respectively. With the set of procedures and choices made along of the processing structure, the project was concluded with the analysis of a volumes group from a real PET exam, obtaining the quantification of the volumes.

A presença que tem hoje a Medicina Nuclear como modalidade de obtenção de imagens médicas é muito importante e um dos principais procedimentos utilizados hoje nos centros de saúde, tendo como grande vantagem a capacidade de conseguir analisar o comportamento metabólico do paciente, fazendo possíveis diagnósticos precoces. Este projeto está baseado em imagens médicas obtidas através da modalidade PET (Positron Emission Tomography) a qual está tendo uma crescente difusão e aceitação. Para isso, temos desenvolvido uma estrutura integral de processamento de imagens tridimensionais PET, a qual está constituída por etapas consecutivas que se iniciam na obtenção das imagens padrões (gold standard), sendo utilizados volumes simulados ou phantoms do Ventrículo Esquerdo do Coração criadas como parte do projeto, assim como geradas a partir do software NCAT-4D. A seguir, nos volumes simulados, é introduzido ruído quântico tipo Poisson que é o ruído característico das imagens PET e feita uma análise que busca certificar que o ruído utilizado corresponde efetivamente ao ruído Poisson. Em sequência é executada a parte de pré-processamento, utilizando para este fim, um conjunto de filtros tais como o filtro da mediana, o filtro da Gaussiana ponderada e o filtro que mistura os conceitos da Transformada de Anscombe e o filtro pontual de Wiener. Posteriormente é aplicada a etapa de segmentação que é considerada a parte central da sequência de processamento. O processo de segmentação é baseado na teoria de Conectividade Fuzzy e para isso temos implementado quatro diferentes abordagens: Algoritmo Genérico, Algoritmo LIFO, Algoritmo kTetaFOEMS e o Algoritmo utilizando Pesos Dinâmicos. Sendo que os três primeiros algoritmos utilizam pesos específicos selecionados pelo usuário, foi preciso efetuar uma análise para determinar os melhores pesos de segmentação que se reflitam numa segmentação mais eficiente. Finalmente, para terminar a estrutura de processamento, um procedimento de avaliação foi utilizado como métrica para obter quantitativamente três parâmetros (Verdadeiro Positivo, Falso Positivo e Máxima Distância) que permitiram conhecer o nível de eficiência e precisão de nosso processo e do projeto em geral. Constatamos que os algoritmos implementados (filtros e algoritmos de segmentação) são bastante robustos e atingem ótimos resultados chegando-se a obter, para o caso do volume do Ventrículo Esquerdo simulado, taxas de VP e FP na ordem de 98.49 ± 0.27% e 2,19 ± 0.19%, respectivamente. Com o conjunto de procedimentos e escolhas feitas ao longo da estrutura de processamento, encerramos o projeto com a análise de um grupo de volumes produto de um exame PET real, obtendo a quantificação destes volumes. / The usefulness of Nuclear medicine nowadays as a modality to obtain medical images is very important, and it has turned into one of the main procedures utilized in Health Care Centers. Its great advantage is to analyze the metabolic behavior of the patient, by allowing early diagnosis. This project is based on medical images obtained by the PET modality (Positron Emission Tomography), which has won wide acceptance. Thus, we have developed an integral framework for processing Nuclear Medicine three-dimensional images of the PET modality, which is composed of consecutive steps that start with the generation of standard images (gold standard) by using simulated images or phantoms of the Left Ventricular Heart that were generated in this project, such as the ones obtained from the NCAT-4D software. Then Poisson quantum noise is introduced into the whole volume to simulate the characteristic noises in PET images and an analysis is performed in order to certify that the utilized noise is the Poisson noise effectively. Subsequently, the pre-processing is executed by using specific filters, such as the median filter, the weighted Gaussian filter, and the filter that joins the concepts of Anscombe Transformation and the Wiener filter. Then the segmentation, which is considered the most important and central part of the whole process, is implemented. The segmentation process is based on the Fuzzy Connectedness theory and for that purpose four different approaches were implemented: Generic algorithm, LIFO algorithm, kTetaFOEMS algorithm, and Dynamic Weight algorithm. Since the first three algorithms used specific weights that were selected by the user, an extra analysis was performed to determine the best segmentation constants that would reflect an accurate segmentation. Finally, at the end of the processing structure, an assessment procedure was used as a measurement tool to quantify some parameters that determined the level of efficiency and precision of our process and project. We have verified that the implemented algorithms (filters and segmentation algorithms) are fairly robust and achieve optimal results, assist to obtain, in the case of the Left Ventricular simulated, TP and FP rates in the order of 98.49 ± 0.27% and 2.19 ± 0.19%, respectively. With the set of procedures and choices made along of the processing structure, the project was concluded with the analysis of a volumes group from a real PET exam, obtaining the quantification of the volumes.

A presença da Medicina Nuclear como modalidade de obtenção de imagens médicas é um dos principais procedimentos utilizados hoje nos centros de saúde, tendo como grande vantagem a capacidade de analisar o comportamento metabólico do paciente, traduzindo-se em diagnósticos precoces. Entretanto, sabe-se que a quantificação em Medicina Nuclear é dificultada por diversos fatores, entre os quais estão a correção de atenuação, espalhamento, algoritmos de reconstrução e modelos assumidos. Neste contexto, o principal objetivo deste projeto foi melhorar a acurácia e a precisão na análise de imagens de PET/CT via processos realísticos e bem controlados. Para esse fim, foi proposta a elaboração de uma estrutura modular, a qual está composta por um conjunto de passos consecutivamente interligados começando com a simulação de phantoms antropomórficos 3D para posteriormente gerar as projeções realísticas PET/CT usando a plataforma GATE (com simulação de Monte Carlo), em seguida é aplicada uma etapa de reconstrução de imagens 3D, na sequência as imagens são filtradas (por meio do filtro de Anscombe/Wiener para a redução de ruído Poisson caraterístico deste tipo de imagens) e, segmentadas (baseados na teoria Fuzzy Connectedness). Uma vez definida a região de interesse (ROI) foram produzidas as Curvas de Atividade de Entrada e Resultante requeridas no processo de análise da dinâmica de compartimentos com o qual foi obtida a quantificação do metabolismo do órgão ou estrutura de estudo. Finalmente, de uma maneira semelhante imagens PET/CT reais fornecidas pelo Instituto do Coração (InCor) do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (HC-FMUSP) foram analisadas. Portanto, concluiu-se que a etapa de filtragem tridimensional usando o filtro Anscombe/Wiener foi relevante e de alto impacto no processo de quantificação metabólica e em outras etapas importantes do projeto em geral. / The presence of Nuclear Medicine as a medical imaging modality is one of the main procedures utilized nowadays in medical centers, and the great advantage of that procedure is its capacity to analyze the metabolic behavior of the patient, resulting in early diagnoses. However, the quantification in Nuclear Medicine is known to be complicated by many factors, such as degradations due to attenuation, scattering, reconstruction algorithms and assumed models. In this context, the goal of this project is to improve the accuracy and the precision of quantification in PET/CT images by means of realistic and well-controlled processes. For this purpose, we proposed to develop a framework, which consists in a set of consecutively interlinked steps that is initiated with the simulation of 3D anthropomorphic phantoms. These phantoms were used to generate realistic PET/CT projections by applying the GATE platform (with Monte Carlo simulation). Then a 3D image reconstruction was executed, followed by a filtering process (using the Anscombe/Wiener filter to reduce Poisson noise characteristic of this type of images) and, a segmentation process (based on the Fuzzy Connectedness theory). After defining the region of interest (ROI), input activity and output response curves are required for the compartment analysis in order to obtain the Metabolic Quantification of the selected organ or structure. Finally, in the same manner real images provided from the Heart Institute (InCor) of Hospital das Clínicas, Faculty of Medicine, University of São Paulo (HC-FMUSP) were analysed. Therefore, it is concluded that the three-dimensional filtering step using the Ascombe/Wiener filter was preponderant and had a high impact on the metabolic quantification process and on other important stages of the whole project.

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain. / Locating and quantifying stenosis length and severity are essential for planning adequate treatment of peripheral arterial disease (PAD). To do this, clinicians use imaging methods such as ultrasound (US), Magnetic Resonance Angiography (MRA) and Computed Tomography Angiography (CTA). However, US examination cannot provide maps of entire lower limb arteries in 3D, MRA is expensive and invasive, CTA is ionizing and also invasive. We propose a new 3D-US robotic system with B-mode images, which is non-ionizing, non-invasive, and is able to track and reconstruct in 3D the superficial femoral artery from the iliac down to the popliteal artery, in real time. In vitro, 3D-US reconstruction was evaluated for simple and complex geometries phantoms in comparison with their computer-aided-design (CAD) file in terms of lengths, cross sectional areas and stenosis severity. In addition, for the phantom with a complex geometry, an evaluation was realized using Hausdorff distance, cross-sectional area and stenosis severity in comparison with 3D reconstruction with CTA. A mean Hausdorff distance of 0.97± 0.46 mm was found for 3D-US compared to 3D-CTA vessel representations. In vitro investigation to evaluate stenosis severity when compared with the original phantom CAD file showed that 3D-US reconstruction, with 3%-6% error, is better than 3D-CTA reconstruction, with 4-13% error. The in vivo system’s feasibility to reconstruct a normal femoral artery segment of a volunteer was also investigated. All of these promising results show that our ultrasound robotic system is able to track automatically the vessel and reconstruct it in 3D as well as CTA. Clinically, our system will allow firstly to the radiologist to have 3D images readily interpretable and secondly, to avoid radiation and contrast agent for patients.

This thesis reports the work done towards design and fabrication of a versatile and low cost, frequency domain DOT (Diffuse Optical Tomography) Imager. A design which uses only a single fiber for the source and a single fiber bundle for the detector is reported. From near the source, to diametrically opposite to the source, the detected intensity of scattered light varies by three to four orders in magnitude, depending on the tissue/phantom absorption and scattering properties. The photo multiplier tube’s (PMT’s) gain is controlled to operate it in the linear range, thus increasing the dynamic range of detection. Increasing the dynamic range by multi channel data acquisition is also presented. Arresting the oscillations of a stepper using a negative torque braking method is also adopted in this application for increasing the speed of data acquisition. The finite element method (FEM) for obtaining photon density solution to the transport equation and the model based iterative image reconstruction (MPBIIR) algorithm are developed for verifying the experimental prototype. Simulation studies presented towards the end of this thesis work provide insight into the nature of measurements. The optical absorption reconstructed images from the simulation, verified the validity of implementation of the reconstruction method for further reconstructions from data gathered from the developed imager. A single iteration of MOBIIR to segment the region of interest (ROI) using an homogeneous measurement estimate is presented. Using the single iteration MOBIIR to obtain a relatively more accurate starting value for the optical absorption coefficient, and the reconstruction results for data obtained from tissue mimicking solid epoxy-resin phantom with a single in-homogeneity inclusion is also presented to demonstrate the imager prototype.

Η στερεοτακτική μέθοδος ακτινοθεραπείας και ακτινοχειρουργικής είναι μια νεότερη μέθοδος της ογκολογίας, που αποδεδειγμένα υπερέχει έναντι της συμβατικής μεθόδου ακτινοβόλησης, ιδιαίτερα όταν συνδυάζεται με τελευταίες τεχνικές ακτινοβόλησης, όπως το IMRT, ArcTherapy and VMAT. Χαρακτηρίζεται δε από ακτινοβόληση με ιδιαίτερα υψηλές δόσεις, συνήθως πολύ μικρών όγκων, της τάξεως του εκατοστού. Εξαιτίας αυτών, είναι επιτακτική η ανάγκη για μέγιστη ακρίβεια και αποφυγή λαθών, καθώς δεν υπάρχουν περιθώρια σφάλματος! Κάθε ακτινοθεραπευτικό κέντρο οφείλει λοιπόν να ακολουθεί ένα ολοκληρωμένο και ιδιαίτερα αυστηρό πρόγραμμα ποιοτικού ελέγχου, θεσπίζοντας μια σειρά ελέγχων σε ημερήσια, εβδομαδιαία, μηνιαία και ετήσια βάση. Μέθοδος: Επειδή δεν υπάρχει ένα εντεταλμένο πρωτόκολλο Ποιοτικού Ελέγχου Στερεοτακτικής Ακτινοθεραπείας με Γραμμικό Επιταχυντή, αρχικά στην εργασία αυτή έγινε μια βιβλιογραφική μελέτη για να βρεθεί το state of the art αυτού του ζητήματος και να εντοπιστούν, σε πρώτη φάση, οι επιμέρους ποιοτικοί έλεγχοι που προτείνονται για τα διάφορα μέρη της στερεοτακτικής ακτινοβόλησης (εξοπλισμός και διαδικασία). Κατόπιν, προσδιορίστηκε μια συνολική, βέλτιστη και κατάλληλη για την πλειοψηφία των ακτινοθεραπευτικών κέντρων, λίστα ελέγχων για τη Διασφάλιση της Ποιότητας στην Στερεοτακτική Ακτινοθεραπεία. Αποτελέσματα: Ο Πίνακας των Ελέγχων που προέκυψε είναι – ως όφειλε – σύμφωνος με τα επιμέρους διεθνή πρωτόκολλα της Ευρώπης και Αμερικής. Βάσει αυτού προτείνεται ένα ολοκληρωμένο Πρόγραμμα Διασφάλισης Ποιότητας για Ακτινοθεραπευτικά Κέντρα που εφαρμόζουν στερεοταξία, το οποίο μπορεί να διαμορφωθεί από κάθε ακτινοθεραπευτικό κέντρο, βάσει των ιδιαιτεροτήτων αυτού, αλλά και να προσαρμοστεί σε μελλοντικές τεχνολογικές αλλαγές. Η εφαρμογή τέτοιων ελέγχων, τέλος, διερευνήθηκε στο ιδιωτικό θεραπευτήριο ΜΕΤΡΟΠΟΛΙΤΑΝ του Φαλήρου. Συμπεράσματα: Το πρόγραμμα ελέγχων που προτείνεται, αν και είναι σύμφωνο με τα επιμέρους διεθνή πρωτόκολλα ποιοτικού ελέγχου για τον εξοπλισμό και τη διαδικασία της ακτινοθεραπείας, πρέπει περαιτέρω να διερευνηθεί επί της κλινικής πράξης από ακτινοθεραπευτικά κέντρα, προκειμένου να βρεθούν τυχόν αδυναμίες και ελλείψεις και τελικώς να αποτελέσει τη βάση ενός μελλοντικού Πρωτόκολλου Διασφάλισης Ποιότητας Στερεοτακτικής Ακτινοθεραπείας με Γραμμικό Επιταχυντή, εγκεκριμένου από τους αρμόδιους διεθνείς φορείς και οργανισμούς. / Stereotactic Radiation Therapy (SRT) and Stereotactic RadioSurgery (SRS) are new advanced oncologic treatment modalities, which proved superior to the conventional method of irradiation, particularly when combined with latest irradiation techniques, such as IMRT, ArcTherapy and VMAT. They apply very high doses, to – usually – very small volumes (centimeters range). These characteristics mean great need for maximum accuracy and avoid mistakes, as there is no room for error! Therefore, every radiotherapy center must follow a very strict and comprehensive quality control program, adopting a series of checks on a daily, weekly, monthly and yearly basis. Method: Because there is no specific Quality Control Protocol for Stereotactic Radiotherapy using Linear Accelerator, the first part of this work was a literature study to find the state of the art of this issue and find, at first, the proposed quality controls for each part of stereotactic irradiation (equipment and process). Afterwards an overall checklist for Quality Assurance in Stereotactic Radiotherapy was defined, which was assessed as optimal and suitable for most radiotherapy centers. Results: The resulted table of checks is - as it should - in line with the different international protocols in Europe and America. Based on this, a comprehensive Quality Assurance Program for radiotherapy centers applying stereotaxis, is proposed. This may be configured and modified by each radiotherapy center, according to its specificities, and also adapt to future technological advances. Finally we look into the implementation of such controls, at the METROPOLITAN private hospital of Faliro. Conclusions: Although the recommended Control Program is consistent with the different international quality control protocols for the equipment and process of radiotherapy, the individual radiotherapy centers should further investigate this program when in clinical use, in order to find any deficiency or weakness. The ultimate goal was to create the basis for the future Quality Assurance Protocol in Stereotactic Radiotherapy with Linac, which should be approved by the competent international comities and organizations.

CNPq; CAPES / A termografia permite a visualização de valores de temperatura de um corpo por meio de imagens. Na área médica, encontra aplicações em oncologia, análise de queimaduras, doenças vasculares, doenças respiratórias, doenças de pele e como forma geral de verificação da vitalidade dos tecidos. A termografia 3D consiste de uma malha 3D com uma textura térmica projetada em sua superfície, oferecendo uma visualização mais precisa dos padrões de temperatura das estruturas anatômicas. Propõe-se, por meio do presente trabalho, um sistema capaz de combinar imagens termográficas 2D com sua malha 3D correspondente e, como resultado, entregar uma imagem termográfica 3D para aplicações médicas. Para isso foram utilizadas as técnicas de Otimização por Enxame de Partículas (PSO) e de reconstrução 3D Structure from Motion (SfM). Diferentemente de outros trabalhos na literatura, a malha 3D e as imagens térmicas não precisam ser adquiridas simultaneamente, não sendo necessário um arranjo mecânico dedicado. A malha 3D pode ter origem em um scanner 3D ou em uma imagem de ressonância magnética, por exemplo. Para avaliar os resultados, um phantom, isto é, um objeto estático de avaliação, com propriedades conhecidas, foi construído. Para tal, uma técnica inédita, utilizando placas de circuito impresso foi desenvolvida. Como resultado, comparações entre a saída do método proposto e o phantom, apresentaram um erro máximo de 3,73 mm e médio de 1,41 mm, com desvio padrão de 0,74 mm, em um phantom de 100 x 150 x 103,2 mm. / Thermography is an imaging method that allows temperature visualization of various regions of an object. In medicine, it finds applications related to oncology, burn trauma, vascular, respiratory and skin diseases, and as a general tissue vitality checking tool. 3D thermography adds tridimensional information to the conventional 2D thermography. It is made from a 3D mesh wrapped by thermal texture, enabling a more precise visualization of thermal patterns of anatomical structures. We propose a system capable of combining 2D thermal images with their corresponding 3D mesh, delivering a 3D thermogram for medical applications as a result. We used Particle Swarm Optimization (PSO) for mesh alignment and Structure from Motion (SfM) for 3D reconstruction in the present method. In contrast to most research found in the literature, the 3D mesh and the thermal images do not need to be acquired simultaneously, and a mechanical support for the thermal camera and the 3D scanner is not required. The 3D mesh may be acquired, for instance, from a 3D scanner or a magnetic resonance imaging machine. In order to evaluate the results, a phantom, that is, a static assessment object of known properties has been built. For this purpose, a novel technique using printed circuit boards has been developed. As a result, comparison between the output of the method and the phantom shows a maximum error of 3.73 mm and a mean error of 1.41 mm with 0.74 mm of standard deviation in phantom of 100 x 150 x 103.2 mm. / 5000

CNPq; CAPES / A termografia permite a visualização de valores de temperatura de um corpo por meio de imagens. Na área médica, encontra aplicações em oncologia, análise de queimaduras, doenças vasculares, doenças respiratórias, doenças de pele e como forma geral de verificação da vitalidade dos tecidos. A termografia 3D consiste de uma malha 3D com uma textura térmica projetada em sua superfície, oferecendo uma visualização mais precisa dos padrões de temperatura das estruturas anatômicas. Propõe-se, por meio do presente trabalho, um sistema capaz de combinar imagens termográficas 2D com sua malha 3D correspondente e, como resultado, entregar uma imagem termográfica 3D para aplicações médicas. Para isso foram utilizadas as técnicas de Otimização por Enxame de Partículas (PSO) e de reconstrução 3D Structure from Motion (SfM). Diferentemente de outros trabalhos na literatura, a malha 3D e as imagens térmicas não precisam ser adquiridas simultaneamente, não sendo necessário um arranjo mecânico dedicado. A malha 3D pode ter origem em um scanner 3D ou em uma imagem de ressonância magnética, por exemplo. Para avaliar os resultados, um phantom, isto é, um objeto estático de avaliação, com propriedades conhecidas, foi construído. Para tal, uma técnica inédita, utilizando placas de circuito impresso foi desenvolvida. Como resultado, comparações entre a saída do método proposto e o phantom, apresentaram um erro máximo de 3,73 mm e médio de 1,41 mm, com desvio padrão de 0,74 mm, em um phantom de 100 x 150 x 103,2 mm. / Thermography is an imaging method that allows temperature visualization of various regions of an object. In medicine, it finds applications related to oncology, burn trauma, vascular, respiratory and skin diseases, and as a general tissue vitality checking tool. 3D thermography adds tridimensional information to the conventional 2D thermography. It is made from a 3D mesh wrapped by thermal texture, enabling a more precise visualization of thermal patterns of anatomical structures. We propose a system capable of combining 2D thermal images with their corresponding 3D mesh, delivering a 3D thermogram for medical applications as a result. We used Particle Swarm Optimization (PSO) for mesh alignment and Structure from Motion (SfM) for 3D reconstruction in the present method. In contrast to most research found in the literature, the 3D mesh and the thermal images do not need to be acquired simultaneously, and a mechanical support for the thermal camera and the 3D scanner is not required. The 3D mesh may be acquired, for instance, from a 3D scanner or a magnetic resonance imaging machine. In order to evaluate the results, a phantom, that is, a static assessment object of known properties has been built. For this purpose, a novel technique using printed circuit boards has been developed. As a result, comparison between the output of the method and the phantom shows a maximum error of 3.73 mm and a mean error of 1.41 mm with 0.74 mm of standard deviation in phantom of 100 x 150 x 103.2 mm. / 5000

Submitted by Marco Antonio Oliveira da Silva (maosilva@ipen.br) on 2017-11-08T16:10:07Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2017-11-08T16:10:07Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / O aumento na longevidade humana fez surgir uma série de doenças com a idade; em contrapartida o avanço da medicina possibilitou o diagnóstico precoce e o tratamento de várias doenças antes incuráveis. Esse cenário atual estendese também aos animais domésticos (cães e gatos - PETs) que dobraram sua expectativa de vida nas últimas décadas, fato que os humanos demoraram séculos para alcançar. Do mesmo modo que os humanos, esse aumento na longevidade dos animais veio acompanhado de doenças relacionadas com a idade, entre elas o câncer. Uma das terapias utilizadas atualmente no tratamento do câncer é a radioterapia, técnica que utiliza a radiação ionizante para destruir as células tumorais (volume-alvo) com mínimo prejuízo aos tecidos circunvizinhos sadios (órgãos de risco). Essa técnica exige a realização periódica de testes de controle de qualidade, incluindo a dosimetria com a utilização de objetos simuladores equivalentes ao tecido, de modo a verificar a dose de radiação recebida pelo paciente em tratamento e compará-la posteriormente com a dose de radiação calculada pelo sistema de planejamento. A rápida expansão do mercado de impressoras 3D abriu caminho para uma revolução na área da saúde. Atualmente os objetos simuladores por impressão 3D estão sendo usados em planejamentos de Radioterapia para a localização espacial e mapeamento das curvas de isodose, realizando, assim, um planejamento mais personalizado para cada campo de radiação, além da confecção de implantes dentais, customização de próteses e confecção de bólus. Diante do exposto esse trabalho projetou e desenvolveu um objeto simulador chamado de \"Canis Morphic\" utilizando uma impressora 3D e materiais tecido-equivalentes para a realização dos testes de controle de qualidade e otimização das doses na área de Radioterapia em animais (cães). Os resultados obtidos demonstraram-se promissores na área de criação de simuladores por impressão 3D, com materiais de baixo custo, para aplicação no controle de qualidade em Radioterapia veterinária. / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP