Simulações Monte Carlo da redução da dose no cristalino e na tiroide em exames de tomografia computorizada utilizando proteções de bismuto

A presente dissertação foi desenvolvida com colaboração do Campus Tecnológico e Nuclear e do Hospital de São JoséNas últimas três décadas verificou-se um aumento significativo da exposição dos pacientes à radiação ionizante no contexto das aplicações médicas, consequência das notáveis evoluções tecnológica e médica. A disseminação da Tomografia Computorizada (TC) torna-a, actualmente, uma das práticas radiológicas médicas mais importantes. [1] Este método imagiológico permite obter diagnósticos cada vez mais precoces e exatos. Porém, a dose a que o paciente está sujeito neste exame é muito superior comparativamente a outras práticas radiológicas médicas convencionais. [1] Portanto o aumento da dose colectiva e da dose para o paciente constituem um problema de Saúde Pública que inquieta os especialistas nos países desenvolvidos, havendo assim necessidade de avaliar e quantificar a exposição a radiações ionizantes bem como os seus efeitos biológicos. [1-2] A presente dissertação de mestrado pretende estudar a redução da dose em órgãos sensíveis durante exames de TC, à luz do princípio da Optimização, um dos pilares do sistema internacional de Protecção Radiológica [2]. No trabalho a desenvolver, em primeira instância, mediu-se a dose em dois órgãos radiossensíveis, tiroide e cristalino, com e sem a utilização das protecções de bismuto. De realçar que as protecções em causa, foram centradas na parte superior do fantoma, alinhadas com o feixe de raios X do equipamento de TC. Seguidamente foi desenvolvido e implementado um modelo computacional e foi efectuada a sua validação por comparação dos resultados computacionais obtidos com as medições efectuadas. A avaliação da redução da dose para o paciente será efectuada à luz, do princípio ALARA (do inglês- As Low As Reasonably Achievable). Este princípio subsidiário do princípio da Optimização previamente referido permite decidir quão baixa uma redução de dose é razoavelmente aceitável, mantendo a qualidade da imagem (QI)requerida para efeitos de diagnóstico [1, 3, 4, 5]. Além das medições efectuadas em meio hospitalar utilizando um tomógrafo, fantomas apropriados e equipamento de detecção de radiação (câmaras de ionização) foi também efectuada a modelação e simulação por métodos Monte Carlo do sistema (tomógrafo, fantoma e câmara de ionização). O programa de simulação por métodos Monte Carlo PENELOPE, representativo do estado da arte computacional foi utilizado para simular o transporte de partículas nos materiais. A geometria e materiais constituintes do sistema e a distribuição em energia da radiação X emitida pelo tomógrafo foram implementadas em PENELOPE v.2008. As doses de radiação ionizante em órgãos sensíveis foram estimadas a partir das simulações Monte Carlo efectuadas e a redução da dose devido à utilização das protecções de bismuto foi avaliada. A intenção de realizar este estudo decorre da inexistência de estudos consensuais [6, 7, 8, 9] acerca do binómico redução de dose versus qualidade da imagem recorrendo à utilização de protecções de bismuto.Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção de Grau de Mestre em Engenharia Biomédic

Medição dos níveis de referência de diagnóstico em tomografia computorizada para exames de cabeça e pescoço

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia BiomédicaA Tomografia Computorizada (TC) é, na área da Radiologia, o exame que contribui com uma maior quantidade de dose de radiação ionizante. Existe uma legislação Europeia e Portuguesa [1-2] em vigor que obriga a que existam níveis de referência de diagnóstico (NRD) para os diversos exames tipo de TC, entre os quais se encontram os exames de rotina à cabeça e pescoço. O índice de dose em Tomografia Computorizada (CTDI) e o produto dose-comprimento (DLP) têm sido propostos como os parâmetros apropriados para estabelecer estes valores de referência, com a finalidade de optimizar a exposição do paciente. Pretende-se, com este trabalho, realizar um conjunto de medições em diversos hospitais e clínicas a nível nacional, de forma a permitir estabelecer os NRD que estão a ser praticados em Portugal para exames de TC de cabeça e pescoço e poder compará-los com as European Guidelines (EG) [3] e com níveis de referência já estabelecidos em outros países. Todas as medidas foram efectuadas utilizando as máquinas de TC dos serviços em estudo, um fantoma cilíndrico de PMMA (polimetil-metacrilato) característico de exames à cabeça e uma câmara de ionização cilíndrica e electrómetro devidamente calibrados, ambos disponibilizados pela empresa Medical Consult S.A. Para auxiliar a análise de resultados, utilizou-se a folha de cálculo CT Dosimetry da ImPACT que contém cálculos em Monte Carlo que modelam as condições de exposição relevantes para uma variedade de marcas e modelos de TC comuns. Foi ainda possível fazer uma ponte entre as áreas hospitalar, tecnológica, empresarial e legislativa demonstrando o carácter multidisciplinar que o curso de Engenharia Biomédica tem

Bioengineering Analysis of Traumatic Brain Injury

Traumatic brain injury (TBI) is a serious health concern affecting over a million people in the UK. Brain shift and herniation, which are closely related to severe disability or death, are important signs of abnormally elevated intracranial pressure (ICP) or space-occupying intracranial mass after trauma. This research aims to use medical image computing and biomechanical modelling techniques to characterise the specific deformation field of brain tissues under various TBI scenarios and strengthen the biomechanical understanding across the full spectrum of TBI. Medical image computing provides the research with a solid clinical grounding. To better interpret the neuro-images, three computational tools have been developed, including a CT preprocessing pipeline, an automatic mid-sagittal plane detector and an automatic brain extractor. Using these tools, a novel concept of midplane shift (MPS) is developed to quantitatively evaluate the brain herniation condition across the mid-sagittal plane. In the meantime, a lesion heatmap is generated to quantify the asymmetric haematoma volumes across the mid-sagittal plane. The MPS heatmaps generated for 33 TBI patients with heterogeneous brain pathologies demonstrate highly similar shift patterns. Together with the lesion heatmap, a brain deformation mechanism has been presented: the brain will not deform randomly in response to trauma, instead, it will only deform in a regulated mechanism so that the deformation is directed and restricted to the soft ventricular region, thanks to the anatomic structures of the head such as the falx. The MPS heatmap, the lesion heatmap, together with the novel CT parameters derived from them, provide a rich abundance of information on intracranial brain herniation, for a more complete overview of TBI from medical images. Biomechanical modelling, being one of the most important tools in trauma biomechanics, has been used to quantitatively simulate the brain shift and herniation condition caused by various intracranial lesions and increasing ICP. Preliminary finite element models reconstructed from the Virtual Human Project have demonstrated some limitations. To resolve the observed deficiencies, an advanced high-fidelity patient-specific FE brain model is constructed and explicitly assessed to optimise its injury simulation performance with the help of the developed medical image computing tools. During simulation, the patient-specific traumatic injuries have been reconstructed by imposing both the primary lesion and the secondary injury. The primary lesion simulation is achieved mechanically by ``indenting" a rigid lesion surface simulating the shape of the haematoma to the brain model. While the secondary swelling is modelled with a thermal-expansion-based method to simulate the bulging brain. Using this approach, the observed brain herniation can be decomposed into a deformation due to pure mass effect of space-occupying primary lesion and a shift as a result of secondary swelling. The head injuries of six different TBI patients have been reconstructed and simulated using the prescribed method. The realistic case study suggested that the subdural haematoma patients, as compared to the epidural haematoma patients, were exposed to more significant secondary swelling, which agrees well with the historical clinical findings. In addition to the realistic TBI case studies, an idealised traumatic lesion simulation is performed to investigate the role of lesion morphology and the lesion locations of onsets, in brain herniations during TBI. It is suggested by the idealised TBI cases that the brain is more sensitive to lesion that is more concentrated spatially, if lesion volumes and lesion locations were exactly the same. Moreover, in terms of lesion locations, lesions that strikes on the temporal region and the anterior region are more likely to lead to greater brain deformation, if other lesion morphologies were equal and no secondary swelling considered. Ultimately, the developed tools are expected to help clinicians better understand and predict the brain behaviour after the onset of TBI and during subsequent injury evolution.WD Armstrong Trus

Data correction for gantry-tilted local CT

Gantry-tilted helical multi-slice computed tomography (CT) refers to the helical scanning CT system equipped with multi-row detector operating at some gantry tilting angle. Its purpose is to avoid the area which is vulnerable to the X-ray radiation. The local tomography is to reduce the total radiation dose by only scanning the region of interest for image reconstruction. In this paper we consider the scanning scheme, and incorporate the local tomography technique with the gantry-tilted helical multi-slice CT. The image degradation problem caused by gantry tilting is studied, and a new error correction method is proposed to deal with this problem in the local CT. Computer simulation shows that the proposed method can enhance the local imaging performance in terms of image sharpness and artifacts reduction

Data correction for gantry-tilted local CT

The gantry-tilted helical cone-beam computed tomography (CT) has an inherent problem that the relative shift of the region of interest (ROI) blurs the reconstructed image. This problem becomes more serious in the gantry-tilted local CT imaging due to the nature of local scanning. This paper proposes a new method to improve the gantry-tilted local imaging by correcting the local scanning data. Computer simulations show that the proposed method can enhance the local imaging performance to a certain extent in terms of the image sharpening and artifacts reduction