Using endogenous saccades to characterize fatigue in multiple sclerosis

Purpose Multiple Sclerosis (MS) is likely to cause dysfunction of neural circuits between brain regions increasing brain working load or a subjective overestimation of such working load leading to fatigue symptoms. The aim of this study was to investigate if saccades can reveal the effect of fatigue in patients with MS. Methods Patients diagnosed with MS (EDSS<=3) and age matched controls were recruited. Eye movements were monitored using an infrared eyetracker. Each participant performed 40 trials in an endogenous generated saccade paradigm (valid and invalid trials). The fatigue severity scale (FSS) was used to assess the severity of fatigue. FSS scores were used to define two subgroups, the MS fatigue group (score above normal range) and the MS non-fatigue. Differences between groups were tested using linear mixed models. Results Thirty-one MS patients and equal number of controls participated in this study. FSS scores were above the normal range in 11 patients. Differences in saccade latency were found according to group (p<0.001) and trial validity (p=0.023). Differences were 16.9 ms, between MS fatigue and MS non-fatigue, 15.5 ms between MS fatigue and control. The mean difference between valid and invalid trials was 7.5 ms. Differences in saccade peak velocity were found according to group (p<0.001), the difference between MS fatigue and control was 22.3°/s and between MS fatigue and non-fatigue was 12.3°/s. Group was a statistically significant predictor for amplitude (p<0.001). FSS scores were correlated with peak velocity (p=0.028) and amplitude (p=0.019). Conclusion Consistent with the initial hypothesis, our study revealed altered saccade latency, peak velocity and amplitude in patients with fatigue symptoms. Eye movement testing can complement the standard inventories when investigating fatigue because they do not share similar limitations. Our findings contribute to the understanding of functional changes induced by MS and might be useful for clinical trials and treatment decisions.We would like to acknowledge that part of this work has been presented at 3rd International Porto Congress of Multiple Sclerosis, February 27–28, 2015, Porto, Portugal and ECEM 2015 | XVIII. European Conference on Eye Movements, August 16–21, 2015, Viena, Austria. We thank the Multiple Sclerosis Association “Todos com a Esclerose Multiple (TEM)” and the Clinical and Academic Centre (CAA-Hospital de Braga) for their support financial support and for providing facilities for data collection, respectively. We also acknowledge: i) Carla Sofia for recruiting all the MS participants and most of the controls, ii) Two anonymous reviewers for their opinion about an early version of this manuscript and iii) Liz Pearce for proofreading the manuscript. Vision Rehabilitation Lab. receives founding from Shamir Portugal and from grant PTDC/DTP-EPI/0412/2012, Fundação para a Ciência e a Tecnologia, co-financiado pelo FEDER através do COMPETE.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Interface dosimetry in radiotherapy

PurposeThe purpose of this study was to quantify the dose perturbation in a low atomic number tissue, before an interface of high atomic number and density material, during irradiation with high energy photons.Materials and MethodsA Plexiglas phantom was used as well as inhomogeneities made of aluminum, copper, lead and steel. Dose measurements were carried out using radiochromic films (HD-810 and MD-55, ISP manufactured). Irradiations were performed in a Co-60 unit and a 6 MV linear accelerator. The dosimetric characteristics of films were studied and compared for doses up to 500 Gy in water using the hp scanjet 4570c series digital flatbed scanner. As a measure of the absorbed dose perturbation into a material of low atomic number, in the presence of high atomic number inhomogeneities at the entrance point of the beam, the quantity Backscatter Dose Factor (BSDF) was used. ResultsThe dependence of OD on the absorbed dose in water, for both film types, was described by a 2nd order polynomial function (transmission method); the dependence of the readings for the reflection pixels was adjusted with logarithmic curves. The dynamic dose range of the reflection method is larger than that of the transmission method for the red component. In addition, measurements of doses lower than 16.9 Gy are more accurate if the reflection method is used. The use of all three color components allows for the extension of the dynamic range of MD-55 films to doses up to at least 500 Gy. Additionally, it was found that approximetaly 25 minutes are required for the scanner to stabilize in order to provide reliable readings when the transmission mode was used. It was also found that if the time interval between irradiation and measurement is greater than 4 days then it is essential to apply dose-dependent correction factors.It was found that BSDF: a) varies with the square root of the atomic number of the inhomogeneity, b) increases as the thickness of the inhomogeneity increases (up to a saturation thickness), c) decreases by increasing photon energy at short distances from the interface, d) decreases by increasing the angle of irradiation, e) can be considered practically independent of the depth at which the inhomogeneity is placed (with the condition that the placing depth is greater than the build-up for each energy) and f) depends on photon field size only in small fields close to a Pb inhomogeneity at short distances from the interface.ConclusionsTwo alternative simple, low cost and accurate reading methodologies of radiochromic films were developed and employed using a document scanner. Empirical equations where derived, which correlate BSDF with the irradiation conditions and could be used to improve the dose distribution calculations in teletherapy when a high atomic number inhomogeneity is found in the beam path.ΣκοπόςΣκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η ποσοτικοποίηση της διαταραχής της δόσης που απορροφάται σε ένα υλικό μικρού ατομικού αριθμού, πριν από διεπιφάνειά του με υλικό υψηλού ατομικού αριθμού και πυκνότητας, κατά την ακτινοβόλησή του με φωτόνια υψηλής ενέργειας.Υλικά και ΜέθοδοιΧρησιμοποιήθηκε ομοιογενές ομοίωμα από πλάκες πλεξιγκλάς με ανομοιογένειες από αλουμίνιο, χαλκό, και μόλυβδο καθώς και ραδιοχρωμικά φιλμ τύπου HD-810 και MD-55, κατασκευής ISP. Οι ακτινοβολήσεις έγιναν σε μονάδα τηλεθεραπείας Co-60 και επιταχυντή 6 MV. Μελετήθηκαν και συγκρίθηκαν τα δοσιμετρικά χαρακτηριστικά στο νερό φιλμ τύπου MD-55 και HD-810 για δόσεις έως 500 Gy μετρώντας με έγχρωμο σαρωτή εγγράφων (hp scanjet 4570c series digital flatbed scanner). Ως μέτρο της διαταραχής της κατανομής της απορροφούμενης δόσης σε ένα υλικό μικρού ατομικού αριθμού υπό την παρουσία ανομοιογενειών υψηλού ατομικού αριθμού στην περιοχή εισόδου της δέσμης στην ανομοιογένεια, χρησιμοποιήθηκε ο παράγοντας διαταραχής δόσης λόγω οπισθοσκέδασης BSDF (Backscatter Dose Factor). Μελετήθηκε η εξάρτηση του BSDF από μία σειρά παραγόντων. ΑποτελέσματαΗ εξάρτηση της οπτικής πυκνότητας των φιλμ, από την απορροφούμενη δόση στο νερό περιγράφηκε και για τα δυο είδη φιλμ με πολυωνυμικές συναρτήσεις 2ου βαθμού (τεχνική διέλευσης), ενώ των ενδείξεων των εικονοστοιχείων ανάκλασης S με λογαριθμικές συναρτήσεις. Το εύρος της δυναμικής περιοχής δόσεων της τεχνικής ανάκλασης είναι μεγαλύτερο αυτού της τεχνικής διέλευσης όταν χρησιμοποιείται η κόκκινη συνιστώσα. Επιπλέον βρέθηκε ότι οι μετρήσεις δόσεων μικρότερων των 16.9 Gy είναι περισσότερο ακριβείς με την εφαρμογή της τεχνικής της ανάκλασης. Η ανάλυση της εικόνας στις τρεις χρωματικές συνιστώσες, επέτρεψε την επέκταση της δυναμικής περιοχής μετρήσεων των φιλμ τύπου MD-55 τουλάχιστον ως 500 Gy. Επιπρόσθετα, διαπιστώθηκε ότι απαιτούνται περί τα 25 λεπτά για τη σταθεροποίηση των ενδείξεων του σαρωτή εγγράφων όταν γίνονται μετρήσεις διέλευσης. Βρέθηκε ακόμα ότι στην περίπτωση που το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί μεταξύ ακτινοβόλησης και μέτρησης των φιλμ είναι μεγαλύτερο των 4 ημερών, είναι απαραίτητο να εφαρμοστούν δοσοεξαρτώμενοι διορθωτικοί παράγοντες. Βρέθηκε ότι ο BDSF: α) μεταβάλλεται ανάλογα με την τετραγωνική ρίζα του ατομικού αριθμού της ανομοιογένειας, β) αυξάνεται με αύξηση του πάχους της ανομοιογένειας (μέχρι το πάχος κορεσμού), γ) μειώνεται με αύξηση της ενέργειας φωτονίων σε μικρές αποστάσεις από τη διεπιφάνεια, δ) μειώνεται με αύξηση της γωνίας ακτινοβόλησης, ε) μπορεί να θεωρηθεί πρακτικά ανεξάρτητος του βάθους τοποθέτησης της ανομοιογένειας (με την προϋπόθεση ότι το βάθος τοποθέτησης είναι μεγαλύτερο από το βάθος ανοικοδόμησης) και στ) εξαρτάται από το μέγεθος του πεδίου ακτινοβολίας μόνο σε μικρά πεδία με ανομοιογένεια από Pb και μικρές αποστάσεις από την διεπιφάνεια.ΣυμπεράσματαΑναπτύχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν δυο εναλλακτικές απλές, οικονομικές και ακριβείς μεθοδολογίες μέτρησης των ραδιοχρωμικών φιλμ με τη χρήση σαρωτή εγγράφων. Οι εμπειρικές σχέσεις που βρέθηκαν και συσχετίζουν τον BSDF με τις συνθήκες ακτινοβόλησης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ώστε να βελτιωθούν οι υπολογισμοί κατανομής της απορροφούμενης δόσης στην τηλεθεραπεία, όταν στην πορεία της δέσμης απαντάται ανομοιογένεια μεγάλου ατομικού αριθμού