Bone is a remarkable multifunctional tissue with the ability to regenerate and remodel without generating any scar tissue. However, bone loss due to injury or diseases can be a great challenge and affect the patient significantly. Transplanting bone graft from one site in the patient to the site of fracture or bone void, i.e. autologous bone grafting is commonly used throughout the world. The transplanted bone not only fills voids, but is also bone inductive, housing the particular cells that are needed for bone regeneration. Nevertheless, a regenerative complement to autograft is of great interest and importance because the benefits from an off-the-shelf product with as good of healing capacity as autograft will circumvent most of the drawbacks with autograft. With a regenerative-medicine approach, the use of biomaterials loaded with bioactive molecules can avoid donor site morbidity and the problem of limited volume of material. Two such regenerative products that utilize bone morphogenetic protein 7 and 2 have been used for more than a decade in the clinic. However, some severe side effects have been reported, such as severe swelling due to inflammation and ectopic bone formation. Additionally, the products require open surgery, use of supra physiological doses of the BMPs due to poor localization and retention of the growth factors. The purpose of this thesis was to harness the strong inductive capability of the BMP-2 by optimizing the carrier of this bioactive protein, thereby minimizing the side effects that are associated with the clinical products and facilitating safe and localized bone regeneration at the desired site. We focused on an injectable hyaluronan-based carrier. The strategy was to use the body’s own regenerative pathway to stimulate and enhance bone healing in a manner similar to the natural bone-healing process. The hyaluronan-based carrier has a similar composition to the natural extracellular matrix and is degraded by resident hyaluronidase enzymes. Earlier studies have shown a more controlled release and improved mechanical properties when adding a weight of 25 percent of hydroxyapatite, a calcium phosphate that constitutes the inorganic part of the bone matrix. In Paper I, the aim was to improve the carrier by adding other forms of calcium phosphate. The results indicated that the bone formation was enhanced when using nano-sized hydroxyapatite. We wished to further develop the carrier system but were lacking an animal model with high output and easy access. We also wanted to provide paired data and were committed to the 3 Rs of refinement, reduction and replacement. To meet these challenges, we developed and refined an animal model, and this is described in Paper II. In Paper III, we characterized and optimized the handling properties of the carrier. In Paper IV, we discovered the importance of crushing the material, thus enhancing permeability and enlarging the surface area. In Paper V, we sought to further optimize biomaterial properties of the hydrogel through covalently bonding of bisphosphonates to the hyaluronan hydrogel. The results demonstrated exceptional retention of the growth factor BMP-2. In Paper VI, the in vivo response related to the release of the growth factor was examined by combining a SPECT/PET/µCT imaging method to visualize both the retention of the drug, and the in-vivo response in terms of mineralization.

Krebserkrankungen stellen in Deutschland die zweithäufigste Todesursache dar und die Anzahl der Neuerkrankungen nimmt stetig zu. Frühzeitige Diagnosen und Therapiemöglichkeiten sind daher dringend erforderlich. Cyklinabhängige Proteinkinasen (Cdk) spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation des Zellzyklus. Viele Tumore zeigen eine deregulierte Cdk4‑Aktivität und/oder ‑Expression. Insgesamt zeigen ca. 80% aller Tumore eine Fehlregulation der für den Zellzyklus zentralen Cdk4/CykD1/INK4/pRb/E2F Signalkaskade. Somit besitzen Cdks ein enormes therapeutisches Potential im Kampf gegen Krebs. Die spezifische Inhibierung der Cdks verhindert die Zellproliferation und damit das Tumorwachstum. In den letzten Jahren wurden verschiedenste Strukturklassen vorgestellt, die als Cdk4-Inhibitor wirken. Im Rahmen der Promotion sollen die Möglichkeiten einer funktionellen Tumordiagnose mittels cyklinabhängiger Kinasen untersucht werden. Die Entwicklung von radioaktiv markierten Inhibitoren der Cdk4/6 als Radiotracer und ihre radiopharmakologische Charakterisierung stellt dabei einen neuen Ansatz dar. Um die Rolle der Cdk4/6 im Zellzyklus von gesunden und deregulierten (z.B. Tumor-) Zellen aufzuklären, sollten mit Iod-124 und Fluor-18 markierte Inhibitoren eingesetzt werden, die hochselektiv diese Cdks blockieren. Zunächst wurden verschiedene Inhibitoren der Cdk4/6 und deren Vorstufen für die Radiomarkierung dargestellt. Die bereits aus den Vorarbeiten von VanderWel et al., 2005 und Toogood et al., 2001 bekannten Syntheserouten mussten dazu optimiert werden und für neue Verbindungen, wie die fluorethylierten Substanzen, wurden neue Reaktionswege gefunden. Die dargestellten Referenzverbindungen CKIA-E wurden anschließend mittels Durchflusszytometrie an den Zelllinien HT-29 und FaDu auf ihre inhibitorischen Wirkung untersucht. Die Untersuchungen der Verbindungen CKIA/B/E zeigte, dass ein Zellzyklusarrest unter Einwirkung der Inhibitoren erreichbar ist. Die weiteren Untersuchungen zur Radiomarkierbarkeit sowie die radiopharmakologische Evaluation sollten daher an den Verbindungen CKIA, CKIB und CKIE stattfinden. Die Darstellung der Verbindungen [124I]CKIA und [124I]CKIB erfolgte in zwei Schritten über die elektrophile Substitution durch regioselektive Destannylierung mit anschließender Entschützung der Seitenkette. Die Darstellung der fluorethylierten Verbindung erfolgte ebenfalls über eine Zweischrittsynthese beginnend mit der Synthese der prosthetischen Gruppe [18F]BFE aus der Tosylmarkierungsvorstufe. Die zur Markierung des sekundären Amins zur Auswahl stehenden prosthetischen Gruppen [18F]Fluorethyltosylat ([18F]FETos) und [18F]Bromfluorethan ([18F]BFE) wurden auf ihre Eignung untersucht, ebenso wie die Auswahl einer geeigneten Markierungsvorstufe für die Darstellung der prosthetischen Gruppe. Die optimierten Syntheserouten ermöglichten die Isolierung von ausreichenden Mengen an Produktaktivität für die radiopharmakologischen Untersuchungen. Es fanden, neben der Bestimmung der spezifischen Aktivität und der Lipophilie der Verbindungen, Zellaufnahmeuntersuchungen und Bestimmungen zur Stabilität der Verbindungen in vitro, ex vivo und in vivo statt. Die radioiodierten Verbindungen konnten des Weiteren zur Untersuchungen der Bioverteilung in normalen männlichen Wistar-Ratten eingesetzt werden. Für alle drei Verbindungen konnte eine sehr hohe in vitro-Stabilität festgestellt werden. Die Zellaufnahmeuntersuchungen zeigten vor allem für die Verbindungen [124I]CKIA und [124I]CKIB eine beträchtliche Zellaufnahme von über 1000% ID/mg Protein nach 2 h. Die Zellaufnahme der Verbindung CKIE ist geringer, sollte allerdings für eine in vivo-Anwendung ausreichend sein. Die Untersuchung der in vivo‑Stabilität der Verbindungen [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE im Blut von Wistar Ratten ergab allerdings, dass alle Verbindungen schnell metabolisiert werden. Die Untersuchung der Bioverteilung der radioiodierten Verbindungen belegen eine in vivo Radiodeiodierung sowie eine hohe hepatobliliäre Auscheidungsrate. Im Hinblick auf eine Anwendung als Radiotracer konnten im Rahmen dieser Arbeit neue Erkenntnisse gewonnen werden. Die dargestellten Inhibitoren sind in der Lage am Zellmodell den Zellzyklusarrest in der G1-Phase zu induzieren. Eine Radiomarkierung der ausgewählten Strukturen liefert das Produkt mit reproduzierbarer Ausbeute in hoher radiochemischer Reinheit und ausreichender spezifischer Aktivität, allerdings ist eine Herstellung der fluorethylierten Verbindung unter GMP-Bedingungen nur schwer realisierbar. Die radiomarkierten Verbindungen zeigen eine hohe in vitro-Stabilität und werden energieabhängig in die Zelle aufgenommen. Anhand der Stabilitätsuntersuchungen in vivo wurde gezeigt, dass alle drei Verbindungen in vivo instabil sind und sehr schnell hepatobiliär eliminiert.

Die Cyclin-abhängigen Kinasen 4 und 6 (Cdk4/6) wurden als essentielle Enzyme für die Regulation des Zellzyklus mit kritischem Beitrag zur gestörten Zellproliferation während der Kanzerogenese identifiziert. Als Konsequenz davon erwiesen sich die Cdk4/6 als attraktive Zielproteine für die Entwicklung neuer therapeutischer Konzepte zur pharmakologischen Tumorbehandlung. Verbindungen aus der Substanzklasse der Pyrido[2,3-d]pyrimidine zeigten vielversprechende inhibitorische Wirkungen auf die Aktivität der Cdk4/6 bei gleichzeitiger herausragender Selektivität gegenüber anderen Cdk. Anschließende Untersuchungen in vitro und in vivo verdeutlichten das Potential einiger Pyrido[2,3 d]pyrimidine zur Inhibierung des Tumorzellwachstums. Die Weiterentwicklung und Nutzung selektiver Cdk4/6-Inhibitoren zur funktionellen Charakterisierung der Cdk4/6 in Tumoren in vivo mit Hilfe der nicht-invasiven Bildgebungstechnik Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein neuer vielversprechender Forschungsansatz und von großem Interesse für die Evaluierung neuer Strategien zur Diagnose und Therapie maligner Erkrankungen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die biochemische und radiopharmakologische Charakterisierung neuer potentieller Cdk4/6-Inhibitoren aus der Verbindungsklasse der Pyrido[2,3-d]pyrimidine und deren Bewertung hinsichtlich ihrer therapeutischen Wirksamkeit zur gezielten Cdk4/6-Inhibierung in ausgewählten Tumorzelllinien sowie ihres Potentials zur funktionellen Bildgebung der Cdk4/6 in Tumoren mittels PET am Tiermodell. Die biochemische Charakterisierung der Pyrido[2,3 d]pyrimidine CKIA, CKIB, CKIC, CKID und CKIE hinsichtlich ihrer zellulären und molekularen Wirkung erfolgte in den kontinuierlich proliferierenden humanen Tumorzelllinien HT-29, FaDu und THP 1 und in differenzierten THP-1-Makrophagen. Die Zweckmäßigkeit der untersuchten Zelllinien zur Charakterisierung potentieller Cdk4/6-Inhibitoren wurde anhand von Studien zur mRNA-Expression und Proteinbiosynthese der Kinasen Cdk4/6 nachgewiesen. Des Weiteren wurde das Vorkommen der Cdk4/6 in den humanen Xenograft-Tumoren HT-29 und FaDu, sowie in ausgewählten Organen und Geweben von nu/nu-NMRI-Mäusen charakterisiert. In vitro wurden für alle untersuchten Pyrido[2,3-d]pyrimidine signifikante, konzentrations- und zeitabhängige inhibitorische Effekte auf die Tumorzellproliferation beobachtet. Durchflusszytometrische Zellzyklusanalysen 24 Stunden nach Inkubation mit den Pyrido[2,3 d]pyrimidinen zeigten eine konzentrationsabhängige Zunahme des Anteils der HT-29-, FaDu- und THP-1-Zellen in der G1-Phase bis auf 90%. Für die nicht-proliferierenden THP 1-Makrophagen wurden bei Inkubation mit den Pyrido[2,3 d]pyrimidinen geringe Veränderungen ihrer Zellzahl und Zellzyklusphasen-verteilung detektiert. Die zellulären Studien identifizierten deutliche qualitative und quantitative Unterschiede der untersuchten Pyrido[2,3 d]pyrimidin-Derivate. Nanomolare Konzentrationen von CKIA, CKIB bzw. CKIE erzielten bereits 24 Stunden nach Inkubation deutliche Effekte, während für CKIC und CKID die 10- bis 100-fache Konzentration eingesetzt werden musste, um eine ähnliche Wirkung zu erhalten. Die molekularen Ursachen der Wachstumshemmung und des Zellzyklusarrests wurden durch Untersuchungen zur Pyrido[2,3 d]pyrimidin-abhängigen Beeinflussung des Cdk4/6-Cyclin D-Retinoblastom-E2F-Signalwegs geklärt. In allen Zelllinien wurde eine deutliche Inhibierung der Cdk4/6-spezifischen Phosphorylierung der Aminosäure Serin-780 des Retinoblastom-Proteins (pRb) beobachtet. Als Konsequenz dieser Inhibierung wurde für CKIA, CKIB und CKIE die signifikante konzentrationsabhängige Unterbrechung der Genexpression von E2F-1 und PCNA nachgewiesen. Die Radiomarkierung der Cdk4/6-Inhibitoren CKIA und CKIB mit 124I bzw. von CKIE mit 18F ermöglichte erstmals die Charakterisierung von in vivo-Interaktionen und des Metabolismus im Blut zirkulierender Pyrido[2,3 d]pyrimidin-Derivate. Die radiopharmako-logischen Eigenschaften von [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE wurden in Untersuchungen zur zellulären Radiotracer-Aufnahme, der metabolischen Stabilität und der Bioverteilung bei Ratten sowie abschließend in Kleintier-PET-Untersuchungen bei FaDu-Tumor-tragenden nu/nu-NMRI-Mäusen analysiert. In vitro-Experimente mit [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE verdeutlichten eine hohe Stabilität und schnelle Aufnahme der Radiotracer in humane Tumorzellen bei 37°C. Allerdings deutet die Zelltyp-unabhängige Anreicherung auf eine geringe Abhängigkeit der Pyrido[2,3 d]pyrimidin-Akkumulation vom Cdk4/6-Status der Zellen hin. Die signifikant geringeren Aufnahmewerte aller untersuchten Pyrido[2,3-d]pyrimidine bei 4°C und die Blockierung der Aufnahme von [18F]CKIE mit nichtradioaktivem CKIE unterstützen die Vermutung spezifischer Transportmechanismen für die Aufnahme der Pyrido[2,3 d]pyrimidine. Untersuchungen von [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE in vivo identifizierten eine schnelle, innerhalb weniger Minuten stattfindende Eliminierung aus dem Blut und die primäre Aufnahme in die Leber als grundlegende Stoffwechseleigenschaft aller drei Radiotracer. Aus den PET-Untersuchungen mit [124I]CKIA und [124I]CKIB bei FaDu-Tumor-tragenden Mäusen wurden nur marginale Anreicherungen der radioaktiven Substanzen im Bereich des Tumors festgestellt. Für [18F]CKIE wurde eine Akkumulation im proliferierenden Randbereich des Tumors beobachtet. Die schnelle Metabolisierung von [18F]CKIE im Blut sowie das konstante, geringe Verhältnis der Aktivität im Tumor zur Aktivität im Skelettmuskel wiesen allerdings auf eine unspezifische Anreicherung hin. Schlussfolgernd aus den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit wurde die Effektivität der Pyrido[2,3 d]pyrimidine CKIA, CKIB und CKIE hinsichtlich der Inhibierung der Cdk4/6-vermittelten Zellzyklusprogression gezeigt. Die antiproliferative Aktivität der Substanzen unterstützt eine weiterführende Evaluierung dieser Cdk4/6-Inhibitoren zur pharmakologischen Tumortherapie. Auf der Basis der erhaltenen radiopharmakologischen Ergebnisse werden die kurze biologische Halbwertszeit und unspezifische Tumoranreicherung von [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE als limitierende Faktoren für die Eignung dieser Verbindungen als Radiotracer zur nicht-invasiven Bildgebung der Cdk4/6 im Zielgewebe mittels PET angesehen. Es bleibt zu klären, ob eine längere Verweildauer und höhere Stabilität radiomarkierter Pyrido[2,3-d]pyrimidine im Blut die Chance der Cdk4/6-spezifischen Gewebeanreicherung erhöhen oder Transport-mechanistische Effekte allein ausschlaggebend für die Anreicherung in Zellen und Geweben sind. Die Untersuchung optimierter Cdk4/6-selektiver Inhibitoren für die Charakterisierung und Therapie von Tumoren bleibt weiterhin ein interessanter Aspekt in der Tumorforschung.

Diss. (sammanfattning) Umeå : Univ., 2005. / Härtill 5 uppsatser.

Diss. (sammanfattning) Uppsala : Uppsala universitet, 2009.

The aim of this Thesis is the development of stopping rule methods for the MLEM and OSEM algorithms used in image reconstruction positron emission tomography (PET). The development of the stopping rules is based on the study of the properties of both algorithms. Analyzing their mathematical expressions, it can be observed that the pixel updating coefficients (PUC) play a key role in the upgrading process of the reconstructed image from iteration k to k+1. For the analysis of the properties of the PUC, a PET scanner geometry was simulated using Monte Carlo methods. For image reconstruction using iterative techniques, the calculation of the transition matrix is essential. And it fully depends on the geometrical characteristics of the PET scanner. The MLEM and OSEM algorithms were used to reconstruct the projection data. In order to compare the reconstructed and true images, two figures of merit (FOM) were used; a) the Normalized Root Mean Square Deviation (NRMSD) and b) the chi-square χ2. The behaviour of the PUC C values for a zero and non-zero pixel in the phantom image was analyzed and it has been found different behavior for zero and non-zero pixels. Based on this assumption, the vector of all C values was analyzed for all non-zero pixels of the reconstructed image and it was found that the histograms of the values of the PUC have two components: one component around C(i)=1.0 and a tail component, for values C(i)<1.0. In this way, a vector variable has been defined, where I is the total number of pixels in the image and k is the iteration number. is the minimum value of the vector of the pixel updating coefficients among the non-zero pixels of the reconstructed image at iteration k. Further work was performed to find out the dependence of Cmin on the image characteristics, image topology and activity level. The analysis shows that the parameterization of Cmin is reliable and allows the establishment of a robust stopping rule for the MLEM algorithm. Furthermore, following a different approach, a new stopping rule using the log-likelihood properties of the MLEM algorithm has been developed. The two rules were evaluated using the independent Digimouse phantom. The study revealed that both stopping rules produce reconstructed images with similar properties. The same study was performed for the OSEM algorithm and a stopping rule for the OSEM algorithm dedicated to each number of subset was developed. / Σκοπός της διατριβής είναι η ανάπτυξη κριτηρίων παύσης για τους επαναληπτικούς αλγόριθμους (MLEM και OSEM) που χρησιμοποιούνται στην ανακατασκευή ιατρικής εικόνας στους τομογράφους εκπομπής ποζιτρονίου (PET). Η ανάπτυξη των κριτηρίων παύσης βασίστηκε στη μελέτη των ιδιοτήτων των αλγόριθμων MLEM & OSEM. Απο τη μαθηματική έκφραση των δύο αλγορίθμων προκύπτει ότι οι συντελεστές αναβάθμισης (ΣΑ) των pixels της εικόνας παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανακατασκευή της απο επανάληψη σε επανάληψη. Για την ανάλυση ένας τομογράφος PET προσομοιώθηκε με τη χρήση των μεθόδων Μόντε Κάρλο.Για την ανακατασκευή της εικόνας με τη χρήση των αλγόριθμων MLEM και OSEM, υπολογίστηκε ο πίνακας μετάβασης. Ο πίνακας μετάβασης εξαρτάται απο τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του τομογράφου PET και για τον υπολογισμό του χρησιμοποιήθηκαν επίσης μέθοδοι Μόντε Κάρλο. Ως ψηφιακά ομοιώματα χρησιμοποιήθηκαν το ομοίωμα εγκεφάλου Hoffman και το 4D MOBY. Για κάθε ένα απο τα ομοιώματα δημιουργήθηκαν προβολικά δεδομένα σε διαφορετικές ενεργότητες. Για τη σύγκριση της ανακατασκευασμένης και της αρχικής εικόνας χρησιμοποιήθηκαν δύο ξεχωριστοί δείκτες ποίοτητας, το NRMSD και το chi square. Η ανάλυση έδειξε οτι οι ΣΑ για τα μη μηδενικά pixels της εικόνας τείνουν να λάβουν την τιμή 1.0 με την αύξηση των επαναλήψεων, ενώ για τα μηδενικά pixels αυτό δε συμβαίνει. Αναλύοντας περισσότερο το διάνυσμα των ΣΑ για τα μη μηδενικά pixels της ανακατασκευασμένης εικόνας διαπιστώθηκε ότι αυτό έχει δύο μέρη: α) Μια κορυφή για τιμές των ΣΑ = 1.0 και β) μια ουρά με τιμές των ΣΑ<1.0. Αυξάνοντας τις επαναλήψεις, ο αριθμός των pixels με ΣΑ=1.0 αυξάνονταν ενώ ταυτόχρονα η ελάχιστη τιμή του διανύσματος των ΣΑ μετακινούνταν προς το 1.0. Με αυτό τον τρόπο προσδιορίστηκε μια μεταβλητή της μορφής όπου N είναι ο αριθμός των pixels της εικόνας, k η επανάληψη και η ελάχιστη τιμή του διανύσματος των ΣΑ. Η ανάλυση που έγινε έδειξε ότι η μεταβλητή Cmin συσχετίζεται μόνο με την ενεργότητα της εικόνας και όχι με το είδος ή το μέγεθός της. Η παραμετροποίηση αυτής της σχέσης οδήγησε στην ανάπτυξη του κριτηρίου παύσης για τον MLEM αλγόριθμο. Μια άλλη προσέγγιση βασισμένη στις ιδιότητες πιθανοφάνειας του MLEM αλγόριθμου, οδήγησε στην ανάπτυξη ενός διαφορετικού κριτηρίου παύσης του MLEM. Τα δύο κριτήρια αποτιμήθηκαν με τη χρήση του ομοιώματος Digimouse και βρέθηκε να παράγουν παρόμοιες εικόνες. Η ίδια μελέτη έγινε και για τον OSEM αλγόριθμο και αναπτύχθηκε κριτήριο παύσης για διαφορετικό αριθμό subsets.

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Cette thèse étudie le traitement statistique des images TEP. Plus particulièrement, la distribution binomiale négative est proposée pour modéliser l’activité d’une région mono-tissulaire. Cette représentation a l’avantage de pouvoir prendre en compte les variations d’activité biologique (ou hétérogénéité) d’un même tissu. A partir de ces résultats, il est proposé de modéliser la distribution de l’image TEP entière comme un mélange spatialement cohérent de lois binomiales négatives. Des méthodes Bayésiennes sont considérées pour la segmentation d’images TEP et l’estimation conjointe des paramètres du modèle. La cohérence spatiale inhérente aux tissus biologiques est modélisée par un champ aléatoire de Potts-Markov pour représenter la dépendance locale entre les composantes du mélange. Un algorithme original de Monte Carlo par Chaîne de Markov (MCMC) est utilisé, faisant appel aux notions d’échantillonnage dans un espace Riemannien et d’opérateurs proximaux. L’approche proposée est appliquée avec succès à la segmentation de tumeurs en imagerie TEP. Cette méthode est ensuite étendue d’une part en intégrant au processus de segmentation des informations anatomiques acquises par tomodensitométrie (TDM), et d’autre part en traitant une série temporelle d’images correspondant aux différentes phases de respiration. Un modèle de mélange de distributions bivariées binomiale négative - normale est proposé pour représenter les images dynamiques TEP et TDM fusionnées. Un modèle Bayésien hiérarchique a été élaboré comprenant un champ de Potts-Markov à quatre dimensions pour respecter la cohérence spatiale et temporelle des images PET-TDM dynamiques. Le modèle proposé montre une bonne qualité d’ajustement aux données et les résultats de segmentation obtenus sont visuellement en concordance avec les structures anatomiques et permettent la délimitation et le suivi de la tumeur. / This thesis studies statistical image processing of PET images. More specifically, the negative binomial distribution is proposed to model the activity of a single tissue. This representation has the advantage to take into account the variations of biological activity (or heterogeneity) within a single tissue. Based on this, it is proposed to model the data of the entire PET image as a spatially coherent finite mixture of negative binomial distributions. Bayesian methods are considered to jointly perform the segmentation and estimate the model parameters. The inherent spatial coherence of the biological tissue is modeled by a Potts-Markov random field to represent the local dependence between the components of the mixture. An original Markov Chain Monte Carlo (MCMC) algorithm is proposed, based on sampling in a Riemannian space and proximal operators. The proposed approach is successfully applied to the segmentation of tumors in PET imaging. This method is further extended by incorporating anatomical information acquired by computed tomography (CT) and processing a time series of images corresponding to the phases of respiration. A mixture model of bivariate negative binomial - normal distributions is proposed to represent the dynamic PET and CT fused images. A hierarchical Bayesian model was developed including a four dimensional Potts-Markov field to enforce the spatiotemporal coherence of dynamic PET-CT images. The proposed model shows a good fit to the data and the segmentation results obtained are visually consistent with the anatomical structures and allow accurate tumor delineation and tracking.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O aumento exponencial dos gastos em saúde demanda estudos econômicos que subsidiem as decisões de agentes públicos ou privados quanto à incorporação de novas tecnologias aos sistemas de saúde. A tomografia de emissão de pósitrons (PET) é uma tecnologia de imagem da área de medicina nuclear, de alto custo e difusão ainda recente no país. O nível de evidência científica acumulada em relação a seu uso no câncer pulmonar de células não pequenas (CPCNP) é significativo, com a tecnologia mostrando acurácia superior às técnicas de imagem convencionais no estadiamento mediastinal e à distância. Avaliação econômica realizada em 2013 aponta para seu custo-efetividade no estadiamento do CPCNP em comparação à estratégia atual de manejo baseada no uso da tomografia computadorizada, na perspectiva do SUS. Sua incorporação ao rol de procedimentos disponibilizados pelo SUS pelo Ministério da Saúde (MS) ocorreu em abril de 2014, mas ainda se desconhecem os impactos econômico-financeiros decorrentes desta decisão. Este estudo buscou estimar o impacto orçamentário (IO) da incorporação da tecnologia PET no estadiamento do CPCNP para os anos de 2014 a 2018, a partir da perspectiva do SUS como financiador da assistência à saúde. As estimativas foram calculadas pelo método epidemiológico e usaram como base modelo de decisão do estudo de custo-efetividade previamente realizado. Foram utilizados dados nacionais de incidência; de distribuição de doença e acurácia das tecnologias procedentes da literatura e de custos, de estudo de microcustos e das bases de dados do SUS. Duas estratégias de uso da nova tecnologia foram analisadas: (a) oferta da PET-TC a todos os pacientes; e (b) oferta restrita àqueles que apresentem resultados de TC prévia negativos. Adicionalmente, foram realizadas análises de sensibilidade univariadas e por cenários extremos, para avaliar a influência nos resultados de possíveis fontes de incertezas nos parâmetros utilizados. A incorporação da PET-TC ao SUS implicaria a necessidade de recursos adicionais de R$ 158,1 (oferta restrita) a 202,7 milhões (oferta abrangente) em cinco anos, e a diferença entre as duas estratégias de oferta é de R$ 44,6 milhões no período. Em termos absolutos, o IO total seria de R$ 555 milhões (PET-TC para TC negativa) e R$ 600 milhões (PET-TC para todos) no período. O custo do procedimento PET-TC foi o parâmetro de maior influência sobre as estimativas de gastos relacionados à nova tecnologia, seguido da proporção de pacientes submetidos à mediastinoscopia. No cenário por extremos mais otimista, os IOs incrementais reduzir-se-iam para R$ 86,9 (PET-TC para TC negativa) e R$ 103,9 milhões (PET-TC para todos), enquanto no mais pessimista os mesmos aumentariam para R$ 194,0 e R$ 242,2 milhões, respectivamente. Resultados sobre IO, aliados às evidências de custo-efetividade da tecnologia, conferem maior racionalidade às decisões finais dos gestores. A incorporação da PET no estadiamento clínico do CPCNP parece ser financeiramente factível frente à magnitude do orçamento do MS, e potencial redução no número de cirurgias desnecessárias pode levar à maior eficiência na alocação dos recursos disponíveis e melhores desfechos para os pacientes com estratégias terapêuticas mais bem indicadas. / The exponential increase in health spending requires economic studies, in order to support decisions of public or private agents related to the incorporation of new technologies to health systems. Positron emission tomography (PET) is an imaging technology in the field of nuclear medicine, of high cost and still recent in the country. Scientific evidence accumulated in relation to its use in non-small cell lung cancer (NSCLC) is significant, and technology proves to be of higher accuracy than conventional imaging techniques in mediastinal and distance staging. Economic evaluation conducted in 2013 indicates its cost-effectiveness in NSCLC staging compared to current management strategy based on the use of computed tomography (CT) in the perspective of the Brazilian Health System (SUS). It was incorporated to the list of procedures available through SUS by Ministry of Health (MoH) in April, 2014; however, the economic and financial impacts of this decision are still unknown. This study aimed to estimate the budgetary impact (BI) of the incorporation of PET in NSCLC staging for 2014 to 2018 from the perspective of SUS as the financier of health care. Estimates were calculated by the epidemiological method, and used as basis decision model from previous cost-effectiveness study. National data on incidence of the disease; distribution of prevalence of the disease and technologies accuracy from literature; and costs from microcosting study and SUS database were used. Two strategies of use of the new technology were analyzed: offer (a) to all patients, and (b) restricted to those with negative result of CT. Additionally, univariate and extreme scenarios sensitivity analysis were performed to assess the influence on the results of possible sources of uncertainty in the parameters used. The incorporation of PET-CT to SUS implies the need of additional resources from R$ 158.1 (limited offer) to 202.7 million (comprehensive offer) in five years, and the difference between the two strategies is R$ 44.6 million in the period. In absolute terms, the total BI would be of R$ 555 million (PET-CT for negative CT) and R$ 600 million (PET-CT for all) in the period. The cost of the procedure PET-CT was the most influential parameter on the expenditures estimates related to new technology, followed by the proportion of patients undergoing mediastinoscopy. In the most optimistic extreme scenario, incremental BI would drop to R$ 86.9 (PET-CT for negative CT) and R$ 103.9 million (PET-CT for all), while in the most pessimistic scenario it would increase to R$ 194.0 and R$ 242.2 million, respectively. Results of BI, combined with evidence of cost-effectiveness of the technology gives greater rationality to the final decisions of policymakers. The incorporation of PET in NSCLC staging seems financially feasible when faced to the magnitude of the MoH budget, and potential reduction in the number of unnecessary surgeries can lead to more efficient allocation of resources and better outcomes for patients with better indicated therapeutic strategies.

Introdução: Na investigação não invasiva da doença arterial coronariana (DAC), destacam-se a tomografia computadorizada com 320 colunas de detectores (TC320) e a tomografia por emissão de pósitrons com Rubídio-82 (PET82Rb), por suas elevadas acurácias. A avaliação por imagem da perfusional miocárdica (MPI) por TC é predominantemente estática, em razão das limitações associadas à radiação ionizante. Avanços tecnológicos, como a reconstrução iterativa, permitiram o desenvolvimento de novos protocolos de aquisição multifásica, com baixa exposição à radiação. Objetivos: Avaliar a concordância entre TC320 multifásica e PET82Rb na avaliação de MPI (visual e semiquantitativa), em repouso e sob estresse farmacológico, em pacientes de risco intermediário para DAC significativa. Como objetivo secundário, avaliar o protocolo da perfusão multifásica na TC320 quanto à segurança, qualidade de imagem e dose de radiação. Métodos: Entre junho e outubro de 2013, foram incluídos, consecutivamente, 45 pacientes com suspeita de DAC significativa referidos para PET82Rb sob estresse com dipiridamol no Departamento de Medicina Nuclear do InCor-HCFMUSP, realizando, posteriormente, a TC320 multifásica volumétrica (cinco fases sob estresse), em um intervalo de até 30 dias. Um paciente foi excluído por descontinuar o protocolo. Os 44 indivíduos tiveram seus escores perfusionais (SSS e SDS) e percentual de miocárdio isquêmico (%MI) calculados para comparação. A análise estatística foi realizada com o programa R. Resultados: A idade média foi 63 anos e o sexo feminino (64%) predominou. A hipertensão foi o principal fator de risco presente (91%), e angina foi o sintoma mais frequente (48%). Uma forte correlação entre os métodos para o SSS (r=0,76, p < 0,001) e moderada para %MI (r=0,64, p<0,001) foram encontradas. Houve alta concordância na identificação de SSS >= 4 (Kappa 0,77, IC 95% 0,55-0,98, p < 0,001) e moderada para SDS >= 2 (Kappa 0,51, IC 95% 0,23-0,80, p < 0,001). Na avaliação por segmento, a concordância foi elevada para identificação de déficits no estresse e no repouso (Kappa 0,75 e 0,82, respectivamente), sendo moderada para sua gravidade (Kappa 0,58 e 0,65, respectivamente). O protocolo multifásico foi diagnóstico, seguro, e com baixa dose de radiação total (9,28 mSv). Oito pacientes apresentaram sintomas, todos considerados leves. Conclusão: Houve concordância significativa entre MPI por TC320 e por PET82Rb na avaliação da DAC significativa em pacientes de risco intermediário. O protocolo de perfusão multifásica por TC320 mostrou-se seguro, diagnóstico e com baixa dose de radiação / Introduction: Coronary artery disease (CAD) assessment evolves towards high accuracy non-invasive techniques, such as 320-row MDCT (320-CT) and Rubidium-82 PET (82RbPET). The latter is well established for myocardial perfusion imaging (MPI) and quantitative measurements, while widespread clinical use of 320CT multiphase MPI has been hampered due to high radiation exposure. However, recent technology advances such as the development of iterative reconstruction algorithms made possible the research of new multiphase MPI protocols, with relatively low radiation burden. Objectives: The primary aim was to evaluate the agreement between 82RbPET MPI and contrast-enhanced 320-CT MPI using a multiphase first pass protocol during dipyridamole stress, in patients with suspected CAD. The secondary aim was to determine feasibility, image quality and radiation exposure of this new multiphase volumetric CT protocol. Methods: From June to October 2013 forty five patients referred for MPI evaluation were prospectively enrolled and underwent dipyridamole stress 82RbPET and multiphase 320-CT MPI protocol (five consecutive volumetric acquisitions during stress, and a single rest phase) within 30 days. One patient was excluded for discontinuing the protocol. Perfusional scores (SSS and SDS) and percent myocardium ischemic (%MI) for both methods were calculated for comparison, and statistical analyses were performed using the software R. Results: Mean age was 63 years old, and females were 64% of the sample. Hypertension was present in 91%, and chest pain was the predominant symptom in 48%. A strong correlation between methods regarding SSS was evidenced (r=0.76, p < 0.001), and moderate for %MI (r=0.64, p < 0.001). There was a high agreement for recognizing SSS >= 4 (Kappa 0.77, 95% CI 0.55-0.98, p < 0.001) and moderate for detecting SDS >= 2 (Kappa 0.51, 95% CI 0.23-0.80, p < 0.001). In a per-segment analysis, agreement was high for the presence of perfusion defects during both stress and rest (Kappa 0.75 and 0.82, respectively) and was moderate for impairment severity (Kappa 0.58 and 0.65, respectively). The 320- CT protocol was safe, diagnostic and with low radiation burden (9.3 ± 2.4 mSv). Eight patients referred symptoms during the CT protocol, but those where mild and transient. Conclusions: There was a significant agreement between dipyridamole stress 320-CT MPI and 82RbPET MPI in the evaluation of suspected CAD patients of intermediate risk. The multiphase 320-CT MPI protocol was feasible, diagnostic and with relatively low radiation exposure