O BancoWeb é uma base de imagens para auxilio a pesquisa na área de mamografia digital. Oferece o gerenciamento da base de dados com um conjunto amplo de imagens mamográficas de qualidade apropriada ao processamento digital e, principalmente, comparação entre diferentes esquemas. O sistema de busca da base de dados/imagens mamográficas está disponível desde 2010, sendo on-line e gratuito. Com os avanços em pesquisas durante todos estes anos, a necessidade e demanda de melhorias, mudanças e incrementos no sistema de gerenciamento e buscas foram surgindo. Por isso, os objetivos deste trabalho estão em desenvolver e aperfeiçoar recursos na busca de imagens, tipos de achado, permitir a classificação pelo sistema CAD, além de implementar um novo sistema de gerenciamento e armazenamento de imagens de um novo phantom, desenvolvido como resultado de pesquisa ainda mais recente no grupo. Testes comparativos com outras bases análogas que disponibilizam imagens mamográficas para download faz do BancoWeb uma ferramenta única e poderosa para o pesquisador e interessado da área, oferecendo mais opções que as demais bases disponíveis atualmente. / BancoWeb is a database of images to aid research in the field of digital mammography. It offers the management of the database with a wide set of mammographic images of appropriate quality to the digital processing and, mainly, comparison between different schemes. The database search system/mammographic images are available since 2010, being online and free. With advances in research over the years, the need for and demand for improvements, changes, and increases in the management and search system have been emerging. Therefore, the objectives of this work are in development and improvement of resources in the search of images, types of find, allow the selection of CAD, in addition to implementing a new system of management and storage of images of a new phantom, developed as a result of even more recent research in the group. Comparative tests with other analogous databases that provide mammographic images for download makes BancoWeb a unique and powerful tool for the researcher and the interested party, offering more options than the other databases currently available.

O BancoWeb é uma base de imagens para auxilio a pesquisa na área de mamografia digital. Oferece o gerenciamento da base de dados com um conjunto amplo de imagens mamográficas de qualidade apropriada ao processamento digital e, principalmente, comparação entre diferentes esquemas. O sistema de busca da base de dados/imagens mamográficas está disponível desde 2010, sendo on-line e gratuito. Com os avanços em pesquisas durante todos estes anos, a necessidade e demanda de melhorias, mudanças e incrementos no sistema de gerenciamento e buscas foram surgindo. Por isso, os objetivos deste trabalho estão em desenvolver e aperfeiçoar recursos na busca de imagens, tipos de achado, permitir a classificação pelo sistema CAD, além de implementar um novo sistema de gerenciamento e armazenamento de imagens de um novo phantom, desenvolvido como resultado de pesquisa ainda mais recente no grupo. Testes comparativos com outras bases análogas que disponibilizam imagens mamográficas para download faz do BancoWeb uma ferramenta única e poderosa para o pesquisador e interessado da área, oferecendo mais opções que as demais bases disponíveis atualmente. / BancoWeb is a database of images to aid research in the field of digital mammography. It offers the management of the database with a wide set of mammographic images of appropriate quality to the digital processing and, mainly, comparison between different schemes. The database search system/mammographic images are available since 2010, being online and free. With advances in research over the years, the need for and demand for improvements, changes, and increases in the management and search system have been emerging. Therefore, the objectives of this work are in development and improvement of resources in the search of images, types of find, allow the selection of CAD, in addition to implementing a new system of management and storage of images of a new phantom, developed as a result of even more recent research in the group. Comparative tests with other analogous databases that provide mammographic images for download makes BancoWeb a unique and powerful tool for the researcher and the interested party, offering more options than the other databases currently available.

The phenomenon of phantom limb pain has been well documented for centuries, but little clinical work has been done to alleviate it. Physician and neuroscientist Vilayanur S. Ramachandran began researching this condition nearly two decades ago, and has discovered a promising alternative treatment: mirror-box therapy. This therapy is not yet widely accepted by the scientific and medical communities because there is insufficient data explaining how and why it works. This study analyzes Ramachandran's rhetoric promoting the therapy. Scott Stroud's melioristic method is applied to Ramachandran's scientific and popular publications. The purpose is to determine whether or not his rhetoric is melioristic in that it promotes positive, and thus, pragmatic changes. This thesis indicates the important insights pragmatism can yield when utilized in acts of rhetorical criticism. / Graduation date: 2012

Zahlreiche chirurgische Assistenzsysteme sind in der klinischen Praxis im Einsatz, um die Genauigkeit und Sicherheit medizinischer Eingriffe zu erhöhen. Die Verwendung von Bildgebungsverfahren durch solche Systeme und die Teilautomatisierung von Prozessen kann einen weiteren Schritt in Richtung höherer Effizienz chirurgischer Interventionen und höherer Patientensicherheit darstellen. Dies stellt jedoch große Herausforderungen an die Systementwickler, welche zur Evaluation dieser Systeme während der Konstruktion geeignete Konzepte und Testmethoden benötigen. Diese Arbeit hat zwei wesentliche Zielsetzungen: Zum einen soll vorgestellt werden, wie zur zielführenden Entwicklung eines duplexsonographisch geführten, semiautomatisch arbeitenden Assistenzsystems zur Gefäßpräparation (ASTMA-System) ein anthropomorphes, physiologisches Phantom anhand zuvor definierter, für die Entwicklung relevanter, Anforderungen konstruiert wurde. Dieses ermöglichte es, die Arbeitsprozesse des Systems und deren Eignung bereits in vitro umfangreich zu testen. Zum andern soll dargestellt werden, wie das Phantom hinsichtlich dieser Anforderungen in einer Studie validiert wurde, um zu gewährleisten, dass dieses für die Systementwicklung erforderliche Eigenschaften aufwies. Dadurch konnten wichtige Informationen über Nutzen und Limitierung der Verwendung des Phantoms und mögliche Probleme des ASTMA-Systems gewonnen werden. Hiermit soll demonstriert werden, wie ein Entwicklungs- und Validierungsansatz für ein Phantom als Testsystem zur Entwicklung und Evaluation ähnlicher komplexer medizintechnischer Systeme mit intraoperativer Bildgebung gestaltet werden kann und welchen Anforderungen solche Phantome genügen sollten. Dies kann dabei helfen, die Systementwicklung zielführend und ressourceneffizient durchzuführen, Probleme bereits während früher Entwicklungsschritte aufzudecken und zu lösen und die Eignung des Verfahrens des entwickelten Systems zu beurteilen.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:36:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 parte1.pdf: 2544032 bytes, checksum: 308f2d618965be3ff9596eb650c5db50 (MD5) Previous issue date: 2010-10-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In order to assure a quality control in mammography, according to the rules of the Brazilian Ministry of Health, the use of a mamma s radiographic simulator, called phantom is used to test the mammography device in a consistent daily, monthly and annual basis. In this context, this paper aims to research and develop a computerized system for mammographers quality control using digital image processing and analysis techniques over the phantom images. Initially an analysis was made of the structures that make up the image of the phantom and observing its features is an elaborated study of what are the possible techniques that best fit its processing. From this study, we have a better understanding about the techniques used and what are the difficulties of its applications in image phantom. The results are presented and based on them, there is a discussion about the used techniques. Finally, we describe the advantages of using a computerized system to perform mammographers quality control. / O emprego de um simulador radiográfico de mama, denominado phantom, permite aplicar os testes de aceitação do mamógrafo e realizar os testes de constância diários, mensais e anuais do programa de controle de qualidade em mamografia, de acordo com as normas do Ministério da Saúde. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo pesquisar e desenvolver um sistema computadorizado de controle de qualidade em mamografias, através do processamento e análise de imagens digitais de phantoms. Inicialmente é realizada uma análise das estruturas que compõem a imagem do phantom e observando-se suas características é elaborado um estudo sobre quais são as possíveis técnicas que melhor se adéquam ao seu processamento. A partir desse estudo, tem-se um entendimento melhor sobre as técnicas utilizadas e quais as dificuldades de suas aplicações na imagem de phantom. Os resultados são apresentados e com base neles, há uma discussão a respeito das técnicas abordadas. Por fim, são descritas as vantagens da utilização de um sistema computadorizado para efetuar o controle de qualidade em mamografias.

O presente trabalho tem por objetivo propor um modelo envolvendo subtração digital de imagens obtidas a diferentes níveis de energia do feixe de raios X, para possibilitar a detecção de lesões malignas da mama que, no modo tradicional de realização do exame, seriam totalmente camufladas quando superpostas por tecido de absorção semelhante. A pesquisa tem aplicação mais direcionada às avaliações de imagens referentes aos casos de mamas densas, que apresentam tradicionalmente baixo contraste em função da presença maior de tecido fibroglandular de alta densidade. Para possibilitar essa investigação, a pesquisa trabalha com a geração de imagens através de simulação computacional dos principais tecidos mamários envolvidos adiposo, fibroglandular e o próprio carcinoma. Por esse procedimento, é possível observar o comportamento das variações de níveis de cinza nas imagens mamográficas a partir dos coeficientes de absorção daqueles tecidos, considerados com diferentes espessuras e submetidos a diferentes valores de energia, dentro da faixa típica utilizada no exame mamográfico. Foi considerada para referência do procedimento uma mama comprimida totalizando 4,5 cm de espessura total. Os resultados apontaram basicamente que: (a) se o carcinoma tiver espessura menor que 0,8 cm, aparentemente, com exposição na faixa de 14 a 17 keV e com pequena variação de energia na aquisição da segunda imagem sua visualização é totalmente comprometida quando camuflado por tecido fibroso; (b) se o carcinoma tiver espessura maior que 0,4 cm, possivelmente será detectado, mesmo que camuflado por tecido fibroso, com exposição na faixa de 19 a 25 keV; (c) para carcinomas camuflados, de espessura entre 0,4 e 2,0 cm, considerando diferença maior de energias na aquisição das imagens, a realização do procedimento proposto permitirá destacá-los na imagem resultante da subtração digital entre imagens produzidas por exposições de 14 a 22 keV, representando, portanto, uma nova ferramenta metodológica para possibilitar e identificar lesões malignas que não seriam detectadas no exame típico, sobretudo em casos de mamas densas. / This work intends to propose a model involving subtraction of digital images obtained at different levels of energy in the X-ray beam, to permit the detection of malign lesions of the breast that in the traditional way of performing the examination, would be completely hidden when overlapped by tissue of similar absorption. The research has more directed application to the evaluations of referring images to the cases of dense breasts that traditionally present low contrast in function of the tissue presence biggest to fibrousglandular of high density. In order to make possible this investigation, the research works with the generation of images by computational simulation of main involved mammary tissues - adipose, fibrousglandular and the proper carcinoma. For this procedure, it is possible to observe the behavior of the variations of gray levels in the mammographic images from the coefficients of absorption of those tissues, considered with different thicknesses and submitted to different values of energy, inside of the used typical band in the mammographic examination. A compressed breast was considered for reference of the procedure totalizing 4,5 cm of total thickness. The results had pointed basically that: (a) if the carcinoma will have lesser thickness that 0,8 cm, apparently, with exposition in the band of 14 to 17 keV and with small variation of the energy in the second image acquisition, its visualization is quite damaged when masked for fibrous tissue; (b) if the carcinoma will have bigger thickness that 0,4 cm, will possibly be detected, even masked for fibrous tissue, with exposition in the band of 19 to 25 keV; (c) for masked carcinomas, with thickness between 0,4 and 2,0 cm, considering larger difference of energies in the acquisition of the images, the accomplishment of the proposed procedure will allow to highlight them in the resultant image of the digital subtraction among images produced by expositions of 14 to 22 keV, representing, therefore, a new methodological tool to make possible and identify malign lesions that would not be detected in the typical examination, especially in cases of dense breasts.

Dada a dificuldade de avaliação das imagens mamográficas no rastreamento do câncer de mama e a necessidade de precisão diagnóstica, tornou-se estimulante a luta pelo desenvolvimento de ferramentas computacionais que auxiliam esse processo, denominadas de esquemas de Computer-aided detection/diagnosis (CADe/CADx). Apresenta-se como um desafio para a comunidade científica a padronização dos critérios de avaliação destes esquemas a partir de bancos de imagens amplos e diversificados que representem casos tanto de benignidade quanto os de malignidade. Considerando este aspecto, o presente trabalho consiste no desenvolvimento de um objeto simulador (phantom) de mama capaz de gerar diversos padrões de imagens obtidos pela variação aleatória de tamanho, forma, contraste e distribuição de lesões. Para garantir imagens mais realistas, o phantom foi confeccionado em camadas compostas por filme de PVC submerso em parafina gel em uma distribuição não uniforme. Essa distribuição permite simular regiões heterogeneamente densas, de acordo com a concentração do material. A estimativa da densidade percentual da mama simulada foi obtida com a ajuda do software LIBRA®, para gerar imagens nas quatro categorias de classificação de densidades BI-RADS®. Os nódulos foram simulados usando dois modelos tridimensionais impressos em 3D, um para lesões circunscritas e outro para espiculadas. Para as microcalcificações, foi utilizada a hidroxiapatita granulada distribuída em quatro clusters que representam casos comumente encontrados em mamas reais. Alternativamente, uma ferramenta computacional foi desenvolvida para a inserção das lesões nas imagens, de acordo com a localização e intensidade escolhidas. As características do phantom foram estudadas comparando os coeficientes de atenuação dos materiais utilizados e dos tecidos mamários. Também textura e ruído das imagens do phantom foram comparados em relação aos das imagens clínicas. A partir da base de imagens formada, um protótipo de esquema CADx foi avaliado. Os resultados foram analisados estatisticamente a partir de curvas ROC e comparados com os obtidos nos testes realizados com imagens clínicas. Concluiu-se que o phantom desenvolvido neste trabalho permitiu gerar um padrão de imagem próximo ao obtido em mamografias reais e apropriado ao suprimento da base de imagens para validação dos sistemas CADx. / The need for diagnostic accuracy in breast cancer screening has motivated the use of computational schemes known as computer-aided detection/diagnosis (CAD/CADx). However, standardization of the evaluation criteria regarding these schemes is still a challenge, since they depend on the access to large and diversified image databases representing both benign and malignant cases. With this feature in view, this work aimed at the development of a structured breast phantom able to generate many images patterns achieved not only by the variation of size, shape, contrast but also by mainly the distribution of simulated lesions. To guarantee the realism of the images, the phantom was made in layers composed by PVC film submerged in paraffin gel with a non-uniform distribution. Such distribution allowed simulating more or less dense regions, according to the material concentration. The percent density estimative of the simulated breast was determined with the LIBRA® software, resulting in the four categories of BIRADS® density classification. Nodules were simulated using two 3D printed models, one for circumscribed and another for spiculated lesions. For simulating microcalcifications, granulated hydroxyapatite was used distributed in four clusters. Alternatively, a computational tool was developed for the insertion of lesions into the images, according to the location and intensity chosen. Phantom characteristics were studied comparing attenuation coefficients of the materials used and breast tissues. The texture and noise of the phantom images were also compared in relation to the clinical ones. From the image database created, a CADx system was evaluated considering its modules of nodule classification and detection of microcalcifications. The results were analyzed statistically from ROC curves and compared with those usually obtained in clinical imaging tests. We concluded that the phantom developed in this work allowed to generate an image pattern similar to that obtained in real mammograms and suitable for supplying an image database to be used as a ground truth for CAD and CADx schemes validation/evaluation.

Aufgrund der zunehmenden komplexen Verzahnung zwischen Operateur und technischen Komponenten bei Hirntumoroperationen, werden innovative Trainingslösungen und standardisierte Evaluationsmethoden in der neurochirurgischen Facharztausbildung angestrebt. Phantombasierte Trainingssysteme können die derzeitige Ausbildung sinnvoll ergänzen, indem sie eine risikoarme Umgebung außerhalb des Operationssaal schaffen. Dabei können praktische und theoretische Komponenten der Hirntumorchirurgie in wiederholbaren Trainingseinheiten ohne Risiko für den Patienten miteinander verbunden werden. Innerhalb eines EFRE (Europäischer Fond für regionale Entwicklung) geförderten Kooperationsprojektes mit der Firma Phacon GmbH wurde ein Prototyp eines solchen Trainingssystems entwickelt. Das enthaltene Kopfphantom besteht aus einer dreiteiligen Konstruktion mit wieder verwendbarem Basissystem und Adapter in Kopfform, sowie einem austauschbaren Modul für die einmalige Verwendung je Trainingseinheit. Eine zweiarmige Kamera zeichnet Trackingdaten auf, während ein Laptop inklusive zugehöriger Software als Navigationsplattform dient. Die Grundlage für die Navigation bilden reale MRT Patientendatensätze, die entsprechend auf die Anatomie des Kopfphantoms adaptiert wurden. Ein Trainingslauf deckt die chirurgische Planung des optimalen Zugangsweges, die Kopflagerung, die Einstellung der Trackingkameras, die Registrierung des Kopfphantoms, sowie die navigierte Kraniotomie mit realen OP-Instrumenten ab. Der entwickelte Prototyp wurde hinsichtlich seiner Anwendbarkeit in der neurochirurgischen Facharztausbildung in einer ersten Proof-of-Concept- Studie evaluiert, wobei fünf Assistenzärzte verschiedenen Ausbildungsgrades jeweils ein komplettes Training auf dem gleichen Patientendatensatz durchführten. Anschließend war ein Fragebogen zur Bewertung der einzelnen Systemkomponenten auszufüllen. Die Auswertung der Fragebögen ergab im Mittel das Resultat gut für die Phantomkonstruktion und die verwendeten Materialien. Der Lerneffekt bezüglich der navigierten Planung wurde genauso wie der Effekt auf das Sicherheitsgefühl des Operateurs vor Ausführung der ersten eigenständig durchgeführten Kraniotomien als sehr gut eingeschätzt. Konstruktive Verbesserungsvorschläge wurden nach Studienabschluss bereits umgesetzt [23]. In einer zweiten Evaluationsstudie lag der Fokus auf potentiell erreichbaren Lernkurven durch wiederholte Trainingseinheiten auf verschiedenen Datensätzen. Dazu führten neun Assistenzärzte verschiedener Ausbildungsgrade jeweils drei Trainings auf Datensätzen mit differenten Tumorlokalitäten durch. Während des Trainings wurden durch einen Facharzt die einzelnen Ausführungsschritte beobachtet und bewertet. Insgesamt konnten in einem Trainingsdurchlauf 23 Punkte erreicht werden, welche für Kriterien wie Tumoridentifikation, Kopflagerung, Registrierungsgenauigkeit, Schonung vordefinierter Risikostrukturen, Planungs- und Ausführungsgenauigkeit, Tumorerreichbarkeit und Hautnaht vergeben wurden. Für alle Schritte wurde die benötigte Zeit aufgezeichnet. Im Mittel wurde ein Punktanstieg zwischen dem ersten und dem dritten Training von 16.9 auf 20.4 Punkte verzeichnet. Die mittlere Zeit bis zur Kraniotomie verbesserte sich von rund 29 Minuten auf rund 21 Minuten zwischen dem ersten und dem dritten Trainingsdurchlauf. Die benötigte Zeit bis zur Hautnaht sank im Mittel von rund 38 Minuten auf rund 27 Minuten zwischen dem ersten und dem dritten Training. Signifikante Korrelationen wurden zwischen Zeit bis zur Kraniotomie und Trainingsanzahl (p < .05), zwischen Zeit bis zur Hautnaht und Trainingsanzahl (p < .05) sowie zwischen erreichter Punktzahl und Trainingsanzahl (p < .01) gefunden. Die Ergebnisse beider Studien weisen darauf hin, dass das entwickelte Trainingssystem einen vielversprechenden Ansatz für die Ergänzung der derzeitigen Facharztausbildung in der Neurochirurgie darstellt. Durch die risikoarme Simulationsumgebung können theoretische und praktische Aspekte der Hirntumorchirurgie sinnvoll verbunden werden. Dem Assistenzarzt wird die Möglichkeit gegeben, sich mit den komplexen Strukturen von eigenständig durchgeführten Kraniotomien vertraut zu machen und damit die anfängliche Lernkurve in die Trainingsumgebung zu verlagern. Hinterfragt werden muss, inwieweit es das Trainingssystem ermöglicht, die chirurgischen Fähigkeiten so zu verbessern, dass diese auch in die reale OP-Umgebung unter realen Bedingungen übertragbar sind und wie diese potentielle Verbesserung zu messen ist [3]. Natürlich unterscheidet sich das haptische Feedback am Trainingsphantom gegenüber der realen menschlichen Anatomie. Weiterhin sind die psychologische Situation und der Erwartungsdruck im OP-Saal nicht mit einer Trainingsumgebung vergleichbar. Es ist daher nicht einfach, ein geeignetes Messinstrument für die Übertragbarkeit des Lerneffektes auf reale OP-Bedingungen zu finden. Nichts desto trotz konnten die beiden durchgeführten Studien bereits zeigen, dass eine Trainingsumgebung Vorteile gegenüber der Situation im OP-Saal bietet. Gerade die Anfangszeit der Facharztausbildung ist größtenteils durch Assistieren im OP-Saal gekennzeichnet, was den Lerneffekt bezüglich autonomer Entscheidungen und Schlussfolgerungen aus begangenen Fehlern begrenzt. Am Phantom hingegen kann die direkte Konsequenz, beispielsweise am Ergebnis der Nichterreichbarkeit des Tumors, direkt erfahren werden. Die theoretischen Konzepte für die Kopflagerung des Patienten in Abhängigkeit von der Tumorlokalisation können als übertragbar auf die OP-Situation angesehen werden, wenngleich das haptische Feedback am Phantom ein anderes ist. Der dadurch erreichbare Lerneffekt bietet das Potential, Lagerungen häufiger selbstständig durch den Assistenzarzt im OP-Saal vorbereiten zu lassen. Die Handhabung des Navigationssystems ist ebenfalls sehr nahe an den technischen Bedingungen im OP-Saal und trägt damit zu einem besseren Verständnis bei. Gegenüber virtuellen Systemen bieten phantom-basierte Trainingssysteme den Vorteil des taktilen Kopfphantoms welches mit realen Instrumenten bearbeitet werden kann und damit eine realistische Hand-Auge-Koordination während des Trainings gewährleistet. Die geringeren Investitionskosten für die Anschaffung ermöglicht auch kleineren Kliniken, eine Simulationsumgebung in die Facharztausbildung zu integrieren. Nachteilig gegenüber virtuellen Systemen ist die auf einmalige Verwendung begrenzte Modulverfügbarkeit, welche permanent laufende Kosten und Materialverlust verursacht. Das vorgestellte Trainingssystem soll nicht als Konkurrenzprodukt zu virtuellen Systemen, sondern vielmehr als sinnvolle Ergänzung innerhalb der verfügbaren Trainingsmethoden verstanden werden. Die derzeitige und zukünftige Weiterentwicklung des Systems fokussiert sich auf die Implementierung des automatisierbaren Evaluationskonzeptes basierend auf vordefinierten, verschiedenen Master-Zugängen, sowie auf die Simulation von Risikostrukturen und Einbezug entsprechender Verletzungen in das Evaluationskonzept. Die getrackten Instrumente während der Simulation können so zusammen mit den vordefinierten Zugangswegen die zukünftige Basis für ein essentielles objektives Trainingsfeedback bilden. Auch in der Entwicklung befindet sich die Umsetzung des Ultraschall-Simulationstools, welches eine finale transdurale Identifikation des Tumors bei korrekt ausgeführter Kraniotomie ermöglichen soll. Aus den intraoperativ akquirierten Patienten-Ultraschalldaten können aufgrund des getrackten Ultraschalldummy’s die korrespondierenden Ultraschallschichten berechnet und visualisiert werden. Dadurch bekommt der Trainierende den Eindruck einer realen Ultraschalluntersuchung und kann die Handhabung und Koordination einer Ultraschallaufnahme sowie die Orientierung im resultierenden Ultraschallvolumen trainieren. Generell haben phantom-basierte Trainingssysteme durch effektive Trainingseinheiten das Potential, die neurochirurgische Facharztausbildung zu bereichern und hinsichtlich Risikomanagement, Patientensicherheit und OP-Verfügbarkeit zu verbessern.:Inhaltsverzeichnis 1 Abkürzungsverzeichnis 1 2 Bibliografische Zusammenfassung 2 3 Einführung 4 3.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3.2 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3.3 Systemaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.3.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.3.2 Datensätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.3.3 Software und Trainingsablauf . . . . . . . . . . . 12 3.4 Qualitative Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.5 Quantitative Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4 Publikation 1 - A neurosurgical phantom-based training system with ultrasound simulation 23 5 Publikation 2 - Evaluation of a novel phantom-based neurosurgical training system 31 6 Zusammenfassung 39 7 Literaturverzeichnis 44 8 Anlagen 48 8.1 Selbstständigkeitserklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 8.2 Lebenslauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8.3 Publikationsliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 8.4 Danksagung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 8.5 Fragebogen Quantitative Studie . . . . . . . . . . . . . . 54 8.6 Fragebogen Qualitative Studie . . . . . . . . . . . . . . . 56

Sistemas ultrassônicos tiveram uma evolução tecnológica nos últimos anos e isso permitiu que seus recursos de hardware e software pudessem ser explorados para extrair informações, auxiliando em diagnósticos e tratamentos mais eficazes. Através da análise do comportamento mecânico de tecidos moles, técnicas como elastografia estática, vibroacustografia, elastografia transiente e elastografia remota tiveram seu papel reconhecido na complementação do diagnóstico clínico. Contudo, a propagação destas técnicas na medicina tem sido restringida pela acessibilidade às tecnologias utilizadas, ausências de parâmetros quantitativos, dificuldade da excitação em estruturas profundas e acesso a informações em níveis moleculares. Este estudo aborda o desenvolvimento de um protocolo para efetuar medidas quantitativas de viscoelasticidade em tecidos moles marcados com nanopartículas de óxido de ferro usando excitação magnética e medição ultrassônica. Ao aplicar uma força magnética pulsada em um meio fluido marcado com nanopartículas magnéticas, um movimento é induzido, gerando uma onda de cisalhamento que se propaga pelo tecido. A propagação dessa onda é mapeada usando a técnica de ultrassom pulso-eco e processamento de dados usando métricas de similaridades entre ecos (mapa de rf) consecutivos. Nos estudos realizados em mimetizadores de tecidos moles (phantom) com características mecânicas equivalentes ao tecido biológico, a amplitude de deslocamento dessas ondas é da ordem de micrometro. Através da medida da velocidade deslocamento dessa onda avaliou-se o melhor modelo reológico para quantificar os parâmetros mecânicos de viscosidade e elasticidade. Os resultados mostraram a eficiência desta técnica ao quantificar os valores viscoelásticos condizentes com a literatura e a comprovação da análise de tecidos moles marcado com nanopartículas excitadas com campo magnético de baixa intensidade, possibilitando uma avaliação em âmbito molecular em tecidos moles. / Ultrasonic systems had a technological development in recent years and allowed their hardware and software resources could be exploited to extract information, assisting in more effective diagnosis and treatment. Through the mechanical behavior analysis of soft tissue techniques such as static elastography, vibroacoustography, transient elastography and remote elastography had recognized role in complementing clinical diagnosis. However, the spread of these techniques in medicine has been restricted by accessibility to the technologies used, quantitative parameters absences, difficulty of deep structures access and information on molecular levels. This study addresses the development of a protocol to make quantitative measurements of viscoelastic soft tissue labeled with iron oxide nanoparticles using magnetic excitation and ultrasonic measurement. By applying a pulsed magnetic force in a fluid medium labeled with magnetic nanoparticles, a motion is induced, generating a shear wave that propagates through the tissue. The propagation of this wave is mapped using the pulse-echo ultrasound technique and data processing using similarities measurements between echoes (rf map) consecutive. In studies of soft tissue-mimicking phantom with mechanical properties equivalent to the biological tissue, the displacement amplitude of these waves is of micrometer order. By measuring the shear wave velocity, it was evaluated the best rheological model for quantifying mechanical parameters of viscosity and elasticity. The results showed the efficiency of this technique to quantify the viscoelastic values consistent with the literature and the evidence of soft tissue analysis labeled excited nanoparticles with low intensity magnetic field, providing an assessment on the molecular level in soft tissues.

Os requisitos técnicos da qualidade da imagem em mamografia estabelecidos por normas nacionais e internacionais incluem parâmetros de qualidade que podem ser avaliados através da realização de testes periódicos. Estes parâmetros podem ser medidos com a aquisição e leitura de imagens de objetos (phantoms) que simulam as estruturas presentes em uma mamografia. O phantom CDMAM foi confeccionado especificamente para a realização de testes que utilizam um procedimento padrão para se determinar um limiar de contraste para cada diâmetro de disco presentes em suas imagens. No entanto, esta tarefa é bastante trabalhosa e consome tempo, além de estar sujeita a uma significativa dependência do observador, diminuindo a precisão das aferições. Nesse sentido, o propósito deste trabalho é o desenvolvimento de um software que auxilie o profissional na realização dos testes, reduzindo a subjetividade devida aos observadores e correlacionando as leituras automatizadas com o sistema visual humano, sem a necessidade de se efetuar a correção dos resultados, como é realizado em diversos trabalhos encontrados na literatura. Para isso, foram utilizadas imagens obtidas por cinco sistemas CR e um método de detecção baseado na confecção de filtros circulares correlatores. A correlação com a visão humana fundamentou-se nos parâmetros de Weber, que descrevem o comportamento do sistema visual na discriminação do contraste em imagens digitais. A classificação dos discos contidos na imagem do phantom entre visível ou não visível foi efetuada a partir de uma ferramenta de mineração de dados conhecida como WEKA (Waikato Environment for Knowledge Analysis) associada ao algoritmo J48, que promove a construção de modelos de árvore de decisão. O resultado da implementação destas árvores de decisão foi a obtenção de um sistema de auxílio ao especialista que reforça a sua integridade na avaliação a partir de resultados estáveis e de fácil interpretação, atingindo acurácias de até 95%. / Technical requirements of image quality in mammography established by national and international norms include quality parameters which can be achieved by conducting periodic tests. It is recommended that some quality parameters are measured from images acquired by exposing specific phantoms, as CDMAM, in such systems. Nevertheless, this task is hard-working and time consuming, besides to be subject to a significant dependence of the observer, reducing the measurements accuracy. Accordingly, the purpose of this work is the development of a software to assist in the professional testing, reducing the subjectivity due to the observers and correlating the automated readings with the human visual system, without the need to make the correction of the results, as is done in many studies in the literature. For this, we used 57 images obtained for five CR systems and a method of detection based on circular correlators filters. The correlation with human vision was based on the Weber\'s parameters which describe the behavior of the visual system to discriminate the contrast in digital images. The classification of the image discs between visible or not visible was made from a data mining tool known as WEKA (Waikato Environment for Knowledge Analysis) associated with the J48 algorithm which promotes the construction of decision tree models. The result of the decision trees implementation was a system to aid the specialist, reinforcing the integrity of the assessment using stable results, easily interpreted, and reaching accuracies of up to 95%.