Author(s): Guise, Ana Catarina da Silva
Date: 2017
Persistent ID: https://hdl.handle.net/1822/45765
Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
Project/scholarship: info:eu-repo/grantAgreement/FCT/SFRH/SFRH%2FBD%2F90324%2F2012/PT;
Subject(s): Engenharia e Tecnologia::Biotecnologia Industrial
Tese de doutoramento em Engenharia Biomédica
In Europe, 75,000 people die each year from traumatic brain injuries, mainly caused by traffic accidents. In the United States, 1.7 million/year cases of traumatic brain injuries occur and only in 5-30% of these cases the damages are detected by current imaging techniques, as computed tomography and magnetic resonance imaging. High-Definition Fiber Tractography is a novel modality of magnetic resonance imaging, based on diffusion technology of water molecules through brain tissue, which provides highly detailed images of the brain. This imaging technique allows detecting the exact local of damage in an axon as X-Ray allows identifying the local where a bone is broken. The inexistence of a phantom that rigorously mimics the human brain hinders the possibility of testing, calibrating and validating these medical imaging techniques. Most research in this area suffers from a huge gap in key points, such as the size limit and geometry used to mimic the human brain axons. The aim of this PhD project was to assess the application of synthetic fibrous materials, which mimic human axons of brain white matter in terms of geometry, on the development of an anisotropic brain phantom, as similar as possible to the human brain white matter, which could be employed on the validation and calibration of brain diffusion imaging, based on magnetic resonance imaging, including the novel neuroimaging technique: the High- Definition Fiber Tractography imaging. To this end, hollow multifilament yarns made of polypropylene and polyamide and coaxial polycaprolactone fibers, produced by electrospinning, were chosen for the undertaken studies, due to its tube-like geometry, with dimensions close to the human axons. To obtain the desired dimensions, comparable to human axons, three different technologies were tested: polypropylene and polyamide hollow multifilament commercial yarns obtained by melt spinning technique; postproduction stretching of the previously mentioned hollow yarns using a laboratorial filament extrusion line; and, production of coaxial polycaprolactone fibers by electrospinning. Characterization of the hollow multifilament yarns regarding physical, chemical and mechanical properties was performed. In order to achieve the different configuration that human axons present in white matter of the human brain, fibrous structures were developed based on polypropylene hollow multifilament yarns due to some of their interesting properties comparatively to polyamide. Braided structures, narrow fabrics and embroidery technology showed to be a good choice to mimic the parallel configuration of the human axons, crossing zones and complex patterns existing in the white matter. The different types of water motion that occur in the axons of human white matter were verified in the fibrous materials by fluorescence microscopy. At the end, the yarns were scanned in magnetic resonance equipment and analyzed using High-Definition Fiber Tractography. Polypropylene hollow multifilament yarns showed to be an outstanding option to mimic white matter human axons in the development of anisotropic brain phantoms to validate and make the quality control of the neuroimaging techniques. Furthermore, High-Definition Fiber Tractography presented highly detailed images of the polypropylene yarns. The results presented in this work are novel and promising since there is no literature that focuses on the study of material properties that mimic properly the human axons of brain white matter. These works have been performed in the framework of the project: “High-Definition MRI Fiber Tracking and Computational Phantom Quality Measurement and Assessment” coordinated by Walter Schneider, at University of Pittsburgh, USA, whose research was devoted to the development of the first phantom for the validation of the novel High-Definition Fiber Tractography imaging.
Na Europa, 75.000 pessoas morrem, anualmente, devido a traumatismos cranioencefálicos, principalmente, causados por acidentes rodoviários. Nos Estados Unidos, ocorrem, por ano, 1.7 milhões de casos e, apenas, em 5 a 30% destes casos, os danos são detetados pelas técnicas de neuroimagem mais utilizadas, como a tomografia computorizada e a ressonância magnética. High-Definition Fiber Tractography (Tractografia de fibras em alta definição) é uma nova modalidade de imagem por ressonância magnética, baseada na difusão das moléculas de água através do tecido cerebral, que fornece imagens altamente detalhadas do cérebro. Esta ferramenta de imagem permite detetar o local exato de um dano num axónio tal como o Raio-X identifica o local onde um osso está fraturado. A inexistência de um modelo adequadamente aproximado ao cérebro humano impede a possibilidade de testar, calibrar e validar estas técnicas de imagem médica. A maioria das pesquisas nesta área sofre uma enorme lacuna em pontos-chave, como o limite de tamanho e geometria utilizada para imitar os axónios do cérebro humano. O objetivo deste projeto foi avaliar a aplicação de materiais fibrosos sintéticos, que imitam os axónios humanos da matéria branca do cérebro em termos de geometria, para o desenvolvimento de um fantoma anisotrópico, o mais semelhante possível à matéria branca do Homem, que poderá ser utilizado na validação e calibração de técnicas de neuroimagem baseadas na difusão das moléculas de água no cérebro, com base em imagens de ressonância magnética, incluindo a nova técnica de neuroimagem: High-Definition Fiber Tractography. Para tal, foram utilizados fios multifilamento ocos de polipropileno e poliamida e fibras coaxiais de policaprolactona, produzidas por electrospinning, devido à sua geometria tubular, com dimensões próximas aos axónios. Para obter as dimensões desejadas, comparáveis aos axónios humanos, três tecnologias foram testadas: fios multifilamento ocos comerciais de polipropileno e poliamida obtidos por melt spinning; estiramento pós-produção dos fios ocos mencionados anteriormente, utilizando uma linha laboratorial de extrusão de filamentos; e, a produção de fibras de policaprolactona coaxiais através de electrospinning. Os fios multifilamento ocos foram caracterizados a nível físico, químico e mecânico. Com o objetivo de reproduzir as diferentes configurações dos axónios na matéria branca, foram desenvolvidas estruturas fibrosas utilizando os fios multifilamento ocos de polipropileno, uma vez que este material apresentou propriedades mais adequadas, comparativamente às da poliamida. Estruturas entrançadas, tecidos estreitos e bordados mostraram ser uma boa escolha para mimetizar a configuração paralela e zonas de cruzamentos de axónios, assim como, certos padrões complexos que existem na matéria branca. Os diferentes tipos de movimento da água que ocorrem nos axónios humanos foram verificados nos materiais fibrosos, através de microscopia de fluorescência. No final, os filamentos foram mapeados, através de ressonância magnética, e, os dados foram, posteriormente, analisados através de High-Definition Fiber Tractography. Os filamentos ocos de polipropileno mostraram ser uma excelente opção para mimetizar os axónios humanos da matéria branca, na materialização de modelos cerebrais anisotrópicos para validação e controlo de qualidade das técnicas de neuroimagem. Igualmente, a nova modalidade de imagem High-Definition Fiber Tractography apresentou imagens altamente detalhadas dos fios de polipropileno. Os resultados apresentados neste trabalho são novos e promissores, pois não há literatura focada no estudo das propriedades dos materiais que mimetizam, adequadamente, os axónios humanos da matéria branca do cérebro. Estes trabalhos foram realizados no âmbito do projeto “ High-Definition MRI Fiber Tracking and Computational Phantom Quality Measurement and Assessment", coordenado pelo professor Walter Schneider, da Universidade de Pittsburgh, EUA, cuja pesquisa foi dedicada ao desenvolvimento do primeiro fantoma para a validação da nova modalidade de neuroimagem High-Definition Fiber Tractography.
