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Thèse de Doctorat
DOI
https://doi.org/10.11606/T.59.2020.tde-21052020-163021
Document
Auteur
Nom complet
Diego Ronaldo Thomaz Sampaio
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
Ribeirão Preto, 2020
Directeur
Jury
Pavan, Théo Zeferino (Président)
Bachmann, Luciano
Bruno, Alexandre Colello
Gonçalves, Pablo José
Schiabel, Homero
Vieira, Silvio Leão
Titre en portugais
Formação de imagem fotoacústica induzida por laser e raios X
Mots-clés en portugais
Fotoacústica
Radioterapia
Raios-X acústico
Ultrassom
Resumé en portugais
Em aplicações biomédicas, a imagem fotoacústica (IFA) por laser vem sendo utilizada para caracterização físico-química de tecidos biológicos, abrangendo estudos em nível anatômico, microscópico e molecular por propiciar uma imagem com contraste óptico e resolução ultrassônica. Recentemente, a imagem raios-X acústica (IXA) vem sendo proposta como técnica de dosimetria para radioterapia de feixe externo com acelerador linear (AL) terapêutico, fornecendo informação da distribuição espacial de dose imediatamente após sua entrega por feixes raios X. Ambas as técnicas de imagem fotoacústica induzida por laser e raios X tem grande potencial para ciência aplicada, física médica e biomedicina. Nessa tese, primeiramente, investigamos a formação de IXA por meio de equipamento de ultrassom (US) diagnóstico por imagem para obter estimativas de dose para radioterapia por feixe externo de raios-X. Desenvolvemos simulações e arranjos experimentais para avaliar a viabilidade de formar IXA, estudamos a sensibilidade da IXA em função da dose em materiais como metais e osso em diferentes configurações de irradiação (e.g., profundidade em água, tamanho de campo de raios-X e taxa de dose). Descobrimos que o equipamento de US diagnóstico por imagem é capaz de formar IXAs, porém com baixo SNR e, para resolver essa condição, propomos um método de redução de ruído por meio de wavelets. Os resultados obtidos são importantes para avaliar o potencial uso da IXA no ambiente da radioterapia e confirmaram a viabilidade de formação de IXA com o equipamento de US diagnóstico por imagem de metais (alumínio, latão e chumbo), contudo não possibilitaram estimar no gradiente de dose em água, que ocorre nas bordas do campo de raios-X. Na segunda parte dessa tese investigamos a IFA por múltiplos comprimentos de onda, estudamos métodos de redução de erro na estimativa de saturação de oxigênio (SO2) e uso de agentes de contraste para IFA, especificamente sua influência na estimativa de SO2. Propomos observar a influência do ruído eletrônico por meio de experimento com um roedor post-mortem no qual tubos continham sangue animal com SO2 conhecidos e em profundidade de aquisição da ordem de um centímetro. Desenvolvemos dois métodos que consituiem máscaras de remoção de pontos do mapa de SO2, um deles caracteriza o ruído com estatística e cálculo de SNR e outro considera o ruído como um cromóforo causador de viés na estimativa de SO2. Reduzimos o erro das estimativas de SO2 por meio da aplicação de ambos os métodos. Paralelamente, estudamos o uso de agentes de contraste para IFA. Realizamos experimentos em phantoms simulando condições de administração de agente de contraste em região de interesse que imita tumores vascularizados com tecidos saudáveis em suas cercanias. Nessas condições, mostramos que o Lipo-JICG, um novo agente de contraste, que foi construído com substâncias aprovadas pelo FDA para uso clínico, cria um viés na estimativa de SO2 menos evidente do que o ICG, agente de contraste que vem sendo utilizado e é aprovado pelo FDA. Além disso, foram obtidas IFAs em profundidades clinicamente relevantes na ordem de um centímetro. Os resultados obtidos são importantes para avaliar o potencial uso do Lipo-JICG em estudo do câncer por meio de IFAs.
Titre en anglais
Laser and X-Ray induced photoacoustic imaging
Mots-clés en anglais
Photoacoustic imaging
Radiotherapy
Ultrasound
X-ray acoustic imaging
Resumé en anglais
In biomedical applications, Laser-based photoacoustic imaging (PAI) has been used for physical and chemical characterization of biological tissues, providing for studies at anatomical, microscopic and molecular scales; because of providing an image with optical contrast and ultrasonic resolution. Recently, the X-ray-based PAI has been proposed as a dosimetric technique for external beam radiotherapy, providing information on the spatial dose distribution at the same time that it is delivered by X-ray beams. Both PAI induced by laser or X-rays have great potential for applied science, medical physics and biomedicine. In this thesis, we first investigated the formation of X-ray-based PAI by using diagnostic ultrasound (US) imaging equipment to obtain dose estimates for radiotherapy. We developed simulations and experimental arrangements to evaluate the feasibility of forming images as a function of dose in materials such as metals and bone at different irradiation configurations (e.g., water depth, X-ray field size and dose rate). We found that the diagnostic US imaging equipment is capable of forming images with dose sensitivity, but with low SNR; therefore, to solve this limitation, we proposed a method of noise reduction by means of wavelets. The results obtained are important to assess the potential use of X-ray-based PAI in the radiotherapy. Also, confirmed the feasibility of obtaining dose of metals (aluminum, brass and lead) and bone through X-ray-based PAI, however US imaging equipment did not make it possible to form images of the water dose gradient, which occurs at the edge of the X-ray field. In the second part of this thesis, we investigated multi-wavelength PAI noise in order to provide methods of reducing errors in the estimation of oxygen saturation (SO2). Also, the use of contrast agents and their influence in the estimation of SO2 is investigated. First, we proposed to observe the influence of electronic noise in PAI. We performed an experiment with a post-mortem rodent in which tubes with animal blood with known SO2 at a depth of the order of one centimeter, and then, we developed two methods of characterization of noise by means of statistic calculation of SNR and another one considering noise as a chromophore, which bias the SO2 estimates. We reduced the bias in the SO2 estimates by applying noise removal masks. Moreover, we studied the use of contrast agents for PAI. We carried out experiments in phantoms, simulating conditions of administration of contrast agent in a region of interest that mimics vascularized tumors and healthy tissues in its surroundings. In these conditions, we showed that Lipo-JICG, a new contrast agent, which was built with substances approved by the FDA for clinical use, does not create a bias in the estimation of SO2 as evident as ICG, which has been approved by FDA already. Also, we obtained PAI of Lipo-JICG at clinically relevant depths in the order of one centimeter. The results obtained are important for assessing the potential use of Lipo-JICG in cancer studies by using PAI at clinically relevant depth.
 
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Date de Publication
2020-07-14
 
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