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Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia The main goal of this project was to evaluate an optical reconstruction software in diffuse tomography, TOAST (Time-Resolved Optical Absorption and Scatter Tomography), when applied to a transillumination geometry. With that in mind, we studied and adapted a demo from the TOAST++ package available online, based on a cylindrical geometry whose sample consists of a set of spheres with distinct optical properties. We adapted the problem for a laminar geometry with just one centered sphere. TOAST simulations implies representing the sample by a nodes mesh which contains the optical properties of the medium (absorption coefficient, diffusion coefficient and refraction index) and a mesh of tetragonal elements created from those nodal points, through a mesh generator software, TetGen. The performance evaluation was done through four sets of simulations: one preliminary set whose goal was to study the impact of the sphere dimension, the mesh density and the detectors width on the reconstruction; a second set to study the dependence of the results on the initial values of the optical properties assigned for the reconstruction process; a third set which consisted on the analysis of the information loss related to the adoption of a laminar geometry, comparing it with the result of a cylindrical geometry simulation; and a final set of tests conceived with the intent of evaluating the reconstruction linearity related to the optical properties of the object. The results show that the bigger the higher densities of the sample mesh and larger dimension for the spherical object yield higher reconstruction quality. The obtained distributions of optical properties are extremely dependent on the optical properties defined for the reconstruction process and the transillumination geometry has less capability to reconstruct the shape of the object when compared to the cylindrical geometry. In conclusion, the software tend has difficulties in reconstructing small objects, to ensure a better reconstruction the object has to be represented by a significant number of nodes and trnasillumination geometry has lower reconstruction fideity due to the limitation on the projections to the illumination and detection planes. Este projeto tem como principal objetivo avaliar um \textit{software} de reconstrução de imagem ótica em tomografia difusa, o TOAST (Time-Resolved Optical Absorption and Scatter Tomography), quando aplicado a uma geometria de transiluminação. Para tal, estudou-se e adaptou-se um exemplo do pacote TOAST++ disponível \textit{online}, baseado numa geometria cilíndrica cuja amostra consiste num conjunto de esferas com distintas propriedades óticas. Desta forma, procurou-se fazer a adaptação do problema para uma geometria laminar com apenas uma esfera no meio. A realização de simulações através do TOAST implica representar a amostra através de uma malha de nós que contêm as propriedades óticas do meio (coeficiente de absorção, coeficiente de difusão e índice de refração) e uma rede de elementos tetragonais gerados a partir desses pontos, através de um \textit{software} gerador de malhas, o TetGen. A avaliação do desempenho foi realizada através de quatro conjuntos de simulações: um conjunto preliminar cujo objetivo é estudar o impacto que a dimensão da esfera, a densidade da malha e a largura dos detetores têm na reconstrução; um segundo conjunto a partir do qual se analisou a dependência dos resultados em função dos valores dos parâmetros óticos inicialmente atribuídos no processo de reconstrução; um terceiro conjunto que consistiu na análise da perda de informação relativa à adoção de uma geometria laminar, comparando-a com o resultado de uma simulação em geometria cilíndrica; e, por fim, um último conjunto de testes concebido com o intuito de avaliar a linearidade da reconstrução em função das propriedades óticas do objeto. Os resultados obtidos indicam que quanto mais densa é a malha representativa da amostra e maior for a dimensão do objeto maior é a qualidade da reconstrução. Para além disto, as distribuições dos coeficientes obtidas são extremamente dependentes das propriedades óticas definidas para o início do processo de reconstrução e a geometria em transiluminação demonstrou menor capacidade de reconstrução da forma do objeto relativamente à cilíndrica. Conclui-se que o software tende a ter dificuldade em reconstruir objetos pequenos, que para se garantir um resultado mais fidedigno o objeto tem de ser representado por um significativo número de nós e que a geometria em transiluminação tem menor fidelidade de reconstrução devido à limitação das projeções aos planos de iluminação e de deteção.

Orientador: Roberto José Maria Covolan Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin Resumo: A atividade neuronal relacionada a um determinado estímulo ou tarefa induz uma cadeia de complexos eventos biológicos no cérebro. O aumento no consumo de energia induz um acréscimo na demanda por glicose e oxigênio no tecido extravascular. Fatores bioquímicos e neuronais induzem variações nos vasos sanguíneos que resultam em alterações de uxo sanguíneo, volume e oxigenação. Embora extensivamente investigada, esta cascata de eventos ainda é pouco compreendida. Neste projeto, procuramos descrever o acoplamento entre os níveis celular, metabólico e vascular associado à ativação funcional do cérebro. Usando medidas eletro fisiológicas, modelamos os sistemas neuro-vascular e neuro-metabólico para descrever a hemodinâmica cerebral medida através de técnicas ópticas. Resultados obtidos em ratos durante a estimulação de um fio de bigode mostraram que a determinação de uma função resposta para cada sistema, assumido como linear, descreve bem o comportamento hemodinâmico e possibilita o estudo dos estados vascular e metabólico caracterizados pelos parâmetros medidos. A partir de experimentos multimodais de NIRS e fMRI, desenvolvemos metodologias inovadoras para a determinação de imagens metabólicas, capazes de prever variações do consumo de oxigênio com boa resolução espacial e temporal. Por fim, analisamos a in u^encia de parâmetros fisiológicos no sinal óptico, mostrando a contribuição importante da pressão sanguínea na composição deste. Medidas de correlação temporal foram projetadas para gerar mapas de correlação vascular que podem ser aplicados ao estudo da conectividade vascular cerebral, tanto em indivíduos normais como em pacientes com patologias cerebrais Abstract: Task-associated neuronal activity leads to a complex chain of biological events within the brain. The increased energetics gives rise to elevated glucose and oxygen consumption in the tissue. Biochemical and neuronal factors induce changes in blood vessels and variations in blood ow, volume and oxygenation. Although it has been extensively investigated, this cascade of events is still poorly understood and highly debated. In this project, the aim was to describe the coupling among the cellular, metabolic and vascular levels associated to functional brain activation. Using electrophysiological measurements, we modeled the neuro-vascular and neuro-metabolic systems in order to describe cerebral hemodynamics as seen through optical techniques. Results obtained in rats during whisker-barrel stimulation showed that the determination of a response function for each system, assumed as linear, can describe the hemodynamic behavior and allow the study of the vascular and metabolic states characterized by the measurements. From multimodal experiments of NIRS and fMRI, we developed unique methods to the determination of metabolic images, which can predict changes in oxygen consumption with good temporal and spatial resolution. Finally, we analyzed the in uence of the physiology in the optical signal, and showed the importance of taking into account blood pressure oscillations into this signal. Measurements of temporal correlation were projected to generate vascular correlation maps that may be useful to the study of cerebral vascular connectivity, both in normal subjects and in patients with cerebral pathologies Doutorado Métodos Óticos de Análise Doutor em Ciências