Nuevos dispositivos y criterios de análisis de señales de resonancia magnética para la caracterización humedad/porosidad de suelos y acuíferos superficiales

Un estudio geofísico mediante resonancia se realiza mediante la excitación del agua del subsuelo a partir de la emisión de una intensidad variable a lo largo de un cable extendido sobre la superficie en forma cuadrada o circular. El volumen investigado depende del tamaño de dicho cable, lo cual, junto con la intensidad utilizada para la excitación del agua determina las diferentes profundidades del terreno de las que se va a extraer información, que se encuentran entre 10 y 100 m, habitualmente. La tesis doctoral presentada consiste en la adaptación del Método de Resonancia Magnética para su utilización en aplicaciones superficiales mediante bucles de tamaño reducido. Dicha información sobre el terreno en la escala desde decímetros a pocos metros es interesante en relación a la física de suelos y en general en relación a diferentes problemas de Ingeniería, tanto de extracción de agua como constructiva. Una vez realizada la revisión del estado de conocimiento actual del método en relación a sus aplicaciones usuales, se estudian los problemas inherentes a su adaptación a medidas superficiales. Para solventar dichos problemas se han considerado dos líneas de investigación principales: En primer lugar se realiza un estudio de la influencia de las características del pulso de excitación emitido por el equipo en la calidad de las medidas obtenidas, y las posibles estrategias para mejorar dicho pulso. El pulso de excitación es un parámetro clave en la extracción de información sobre diferentes profundidades del terreno. Por otro lado se busca la optimización del dispositivo de medida para su adaptación al estudio de los primeros metros del suelo mediante el equipo disponible, tratándose éste del equipo NumisLITE de la casa Iris Instruments. ABSTRACT Magnetic Resonance Sounding is a geophysical method performed through the excitation of the subsurface water by a variable electrical intensity delivered through a wire extended on the surface, forming a circle or a square. The investigated volume depends on the wire length and the intensity used, determining the different subsurface depths reached. In the usual application of the method, this depth ranges between 10 and 100 m. This thesis studies the adaptation of the above method to more superficial applications using smaller wire loops. Information about the subsurface in the range of decimeter to a few meters is interesting regarding physics of soils, as well as different Engineering problems, either for water extraction or for construction. After a review of the nowadays state of the art of the method regarding its usual applications, the special issues attached to its use to perform very shallow measures are studied. In order to sort out these problems two main research lines are considered: On the one hand, a study about the influence of the characteristics of the emitted pulse in the resulting measure quality is performed. Possible strategies in order to improve this pulse are investigated, as the excitation pulse is a key parameter to obtain information from different depths of the subsurface. On the other hand, the study tries to optimize the measurement device to its adaptation to the study of the first meters of the ground with the available instrumentation, the NumisLITE equipment from Iris Instruments.

Segmentación automática de aneurismas aórticos abdominales a partir de imágenes de resonancia magnética basada en modelos activos de forma y modelos de textura

Se presenta un algoritmo semiautomático de segmentación de aneurismas aórticos abdominales (AAA) basado en modelos activos de forma (ASM) y modelos de textura. La información de textura viene dada por un conjunto de cuatro imágenes 3D de resonancia magnética (RM) compuestas por cortes axiales de la zona abdominal. En estas imágenes son visibles la luz aórtica, la pared aórtica y el trombo intraluminal (ILT). Dado el tamaño limitado del conjunto de imágenes de RM, se han implementado un ASM que capture las características específicas del conjunto de entrenamiento compuesto por 35 imágenes de tomografía axial computarizada (CTA), de modo que la variación de forma pueda ser adecuadamente caracterizada. La textura se caracteriza a partir de las imágenes de RM. Para la evaluación del algoritmo se ha llevado a cabo una validación cruzada dejando uno fuera sobre el conjunto de imágenes de RM.

Objective Assessment of Olfactory Function Using Functional Magnetic Resonance Imaging=Estudio objetivo del olfato mediante resonancia magnética funcional

Objective: To show the results of a device that generates automated olfactory stimuli suitable for functional magnetic resonance imaging (fMRI) experiments. Material and methods: Te n normal volunteers, 5 women and 5 men, were studied. The system allows the programming of several sequences, providing the capability to synchronise the onset of odour presentation with acquisition by a trigger signal of the MRI scanner. The olfactometer is a device that allows selection of the odour, the event paradigm, the time of stimuli and the odour concentration. The paradigm used during fMRI scanning consisted of 15-s blocks. The odorant event took 2 s with butanol, mint and coffee. Results: We observed olfactory activity in the olfactory bulb, entorhinal cortex (4%), amygdala (2.5%) and temporo-parietal cortex, especially in the areas related to emotional integration. Conclusions: The device has demonstrated its effectiveness in stimulating olfactory areas and its capacity to adapt to fMRI equipment.RESUMEN Objetivo: Mostrar los resultados del olfatómetro capaz de generar tareas olfativas en un equipo de resonancia magnética funcional (fMRI). Material y métodos: Estudiamos 10 sujetos normales: 5 varones y 5 mujeres. El olfatómetro está dise ̃ nado para que el estímulo que produce se sincronice con el equipo de fMRI mediante la se ̃ nal desencadenante que suministra el propio equipo. El olfatómetro es capaz de: selec- cionar el olor, secuenciar los distintos olores, programar la frecuencia y duración de los olores y controlar la intensidad del olor. El paradigma utilizado responde a un dise ̃ no de activación asociada a eventos, en el que la duración del bloque de activación y de reposo es de 15 s. La duración del estímulo olfativo (butanol, menta o café) es de 2 segundos, durante toda la serie que consta de 9 ciclos. Resultados: Se ha observado reactividad (contraste BOLD) en las diferentes áreas cerebrales involucradas en las tareas olfativas: bulbo olfatorio, córtex entorrinal (4%), amigdala (2,5%) y córtex temporoparietal. Las áreas relacionadas con integración de las emociones tienen una reactividad mayor. Conclusiones: El dispositivo propuesto nos permite controlar de forma automática y sincronizada los olores necesarios para estudiar la actividad de las áreas olfatorias cerebrales mediante fMRI.

Desarrollo de rutinas para el análisis automatizado de tomografía no destructiva de resonancia magnética en espumas y geles

La microestructura (en el rango 0.1?100 ?m) tiene un importante impacto en el procesado y propiedades físico-químicas y organolépticas de los alimentos, tal y como se refleja en la propuesta del proyecto europeo INSIDEFOOD (Integrated sensing and imaging devices for designing, monitoring and controlling microstructure of foods) que utiliza matrices alimentarias artificiales a base de geles y espumas como modelos estandarizados para el estudio de la microestructura. Concretamente se ha trabajado con espumas y geles azucarados (a base de fructosa), espumas no azucaradas (0% fructosa, a base de agarosa), como símiles de alimentos de elevada porosidad y geles de gelatina comúnmente utilizados como símiles de productos cárnicos. El objetivo de este trabajo es el estudio no invasivo de la microestructura de estos geles y espumas mediante Resonancia Magnética Nuclear (NMR): tanto tomografía (MRI), como relaxometría 2D, así como la implementación de herramientas de análisis de imagen, empleando el entorno de Matlab®: segmentación, filtros morfológicos y análisis de textura. Este procedimiento permite evaluar la distribución y disponibilidad del agua, así como distribución y tamaño de poros, entre otros parámetros de interés.

Diferencias en el sustrato endo y epicárdico de las taquicardias ventriculares posinfarto analizado mediante resonancia magnética cardiaca con realce tardío

Algunas taquicardias ventriculares (TV) posinfarto se localizan en el epicardio. La identificación de diferencias en el sustrato de las TV endocárdicas y epicárdicas permitiría definir una mejor estrategia de ablación.

Supervisado del deshidratado de zanahorias con imagen de resonancia magnética nuclear.

La imagen de resonancia magnética nuclear (RMN) aplicada en el análisis de alimentos permite evaluar y cuantificar la humedad o grasa en un material entre otros. En el caso del análisis de productos deshidratados y el estudio evolutivo de la pérdida de agua a lo largo de la operación de secado, puede proporcionar información espacio temporal, importante para definir y mejorar las características del proceso orientado hacia la mejora de la calidad en el producto final. En el presente trabajo se evaluaron 9 muestras de zanahorias sin piel, quedando una fresca como referencia y las otras 8 se secaron en estufa con circulación de aire forzado a 50ºC. Las muestras se ensayaron por duplicado según 4 tiempos de secado diferentes 6, 12, 24 y 30 horas, con porcentajes finales de humedad desde el 90% (zanahoria fresca), hasta el 18%. Se obtuvo para cada muestra mapas de densidad protónica (DP) utilizando el equipo de RMN Bruker BIOSPEC 47/40 (de 4.7T, 200MHz y gradientes de 6cm de diámetro), al escanearlas se obtuvo un total de 10 cortes transversales cada 5 mm. Se construyó una matriz de 10 cortes x 9 muestras incluyendo todas las imágenes de DP, la imagen resultante se segmentó para establecer parámetros cuantitativos sobre cada corte, mediante técnicas de análisis de imagen. Los valores de DP representan la cantidad de protones H+ que han sido excitados proporcionales a la cantidad de agua en el alimento, a menores niveles de DP menor cantidad de agua en el alimento: se generaron histogramas representando el número de pixeles de la imagen que pertenecen a una clase de valores de DP por corte. Algunos de los histogramas presentaron un patrón bimodal, que puede asociarse a los distintos tejidos presentes en la zanahoria principalmente córtex y cilindro vascular, lo que indica, es que contiene diferentes coeficientes de difusividad efectiva, velocidades de secado y contenido final de humedad diferenciadas para cada tejido (Sriakatden y Roberts, 2008). La utilización de la RMN proporciona información acerca de la desigualdad en la distribución del agua en las diferentes estructuras de una misma matriz sólida. A la par del estudio en DP, se realizó un análisis para cuantificar la evolución de la contracción del tejido, parámetro de calidad importante, que aumenta con la pérdida de agua durante el proceso. Se obtuvieron los gráficos que muestran la relación perímetro/área sobre las imágenes de DP por corte, indicando una agrupación de las muestras según cuatro niveles de humedad correspondientes a diferentes tiempos de secado: 90% (fresca), 60% (6 h), 50%(12 h) y 18% (24 h y 30 h).

Evolución temporal de las características de la escara isquémica en un modelo experimental de infarto agudo de miocardio: estudio basado en resonancia magnética

En los pacientes con infarto de miocardio, las características de la escara isquémica, incluyendo la extensión de tejido heterogéneo (TH) y los canales intraescara, se relacionan con la mortalidad arrítmica. Sin embargo, aún no se conoce bien la evolución temporal de la estructura de la escara en los primeros meses tras el infarto agudo de miocardio (IAM).

Aplicaciones biomédicas de las nanoparticulas magneticas

Los nanomateriales han adquirido recientemente un gran interés debido a la gran con el diagnóstico como con la terapia de enfermedades muy variadas. Dentro de los nanomateriales utilizados en biomedicina, concretamente las nanopartículas magnéticas (NPMs) muestran un interés especial por las como agente de contraste en imagen de resonancia magnética (RM) y por tanto ser de gran utilidad en el diagnóstico de diferentes patologías. Otra de las aplicaciones potenciales de las NPMs en biomedicina se encuentra en el ámbito de la terapia, por ejemplo, la destrucción de tumores mediante hipertermia al aprovecharse la capacidad que poseen las partículas para producir calor en respuesta a la aplicación de campos magnéticos externos.

Evolución del software de inversión de SRM y propuesta de bases de datos

Los objetivos de este proyecto son la reinterpretación de los sondeos de resonancia magnética (SRM) realizados por el IGME en los acuíferos de Doñana y Estaña empleando el nuevo software de inversión SAMOVAR 11 y la realización de un inventario en formato de ficha de estos SRM. Se busca determinar si las nuevas características del software permiten mejorar el comportamiento de las inversiones de datos de SRM. Para llevar a cabo el reprocesamiento se usaron las distintas inversiones posibles de SAMOVAR 11 y se comparó cada caso con la inversión realizada con la versión anterior del software de inversión, SAMOVAR 6. Se determinó la existencia de coherencia en las inversiones complejas de amplitud y fase realizadas con SAMOVAR 11 proponiendo la realización de un estudio en campo para conocer con más exactitud las características de SAMOVAR 11. Por último las fichas de los SRM se realizaron teniendo en cuenta los principales parámetros de un SRM concluyendo en la utilidad que tendría una relación de todos los SRM realizados por el IGME siguiendo el formato aquí presentado u otro distinto.

Multimodal non-rigid image registration methods for therapy and surgery planning

La planificación pre-operatoria se ha convertido en una tarea esencial en cirugías y terapias de marcada complejidad, especialmente aquellas relacionadas con órgano blando. Un ejemplo donde la planificación preoperatoria tiene gran interés es la cirugía hepática. Dicha planificación comprende la detección e identificación precisa de las lesiones individuales y vasos así como la correcta segmentación y estimación volumétrica del hígado funcional. Este proceso es muy importante porque determina tanto si el paciente es un candidato adecuado para terapia quirúrgica como la definición del abordaje a seguir en el procedimiento. La radioterapia de órgano blando es un segundo ejemplo donde la planificación se requiere tanto para la radioterapia externa convencional como para la radioterapia intraoperatoria. La planificación comprende la segmentación de tumor y órganos vulnerables y la estimación de la dosimetría. La segmentación de hígado funcional y la estimación volumétrica para planificación de la cirugía se estiman habitualmente a partir de imágenes de tomografía computarizada (TC). De igual modo, en la planificación de radioterapia, los objetivos de la radiación se delinean normalmente sobre TC. Sin embargo, los avances en las tecnologías de imagen de resonancia magnética (RM) están ofreciendo progresivamente ventajas adicionales. Por ejemplo, se ha visto que el ratio de detección de metástasis hepáticas es significativamente superior en RM con contraste Gd–EOB–DTPA que en TC. Por tanto, recientes estudios han destacado la importancia de combinar la información de TC y RM para conseguir el mayor nivel posible de precisión en radioterapia y para facilitar una descripción precisa de las lesiones del hígado. Con el objetivo de mejorar la planificación preoperatoria en ambos escenarios se precisa claramente de un algoritmo de registro no rígido de imagen. Sin embargo, la gran mayoría de sistemas comerciales solo proporcionan métodos de registro rígido. Las medidas de intensidad de voxel han demostrado ser criterios de similitud de imágenes robustos, y, entre ellas, la Información Mutua (IM) es siempre la primera elegida en registros multimodales. Sin embargo, uno de los principales problemas de la IM es la ausencia de información espacial y la asunción de que las relaciones estadísticas entre las imágenes son homogéneas a lo largo de su domino completo. La hipótesis de esta tesis es que la incorporación de información espacial de órganos al proceso de registro puede mejorar la robustez y calidad del mismo, beneficiándose de la disponibilidad de las segmentaciones clínicas. En este trabajo, se propone y valida un esquema de registro multimodal no rígido 3D usando una nueva métrica llamada Información Mutua Centrada en el Órgano (Organ-Focused Mutual Information metric (OF-MI)) y se compara con la formulación clásica de la Información Mutua. Esto permite mejorar los resultados del registro en áreas problemáticas incorporando información regional al criterio de similitud, beneficiándose de la disponibilidad real de segmentaciones en protocolos estándares clínicos, y permitiendo que la dependencia estadística entre las dos modalidades de imagen difiera entre órganos o regiones. El método propuesto se ha aplicado al registro de TC y RM con contraste Gd–EOB–DTPA así como al registro de imágenes de TC y MR para planificación de radioterapia intraoperatoria rectal. Adicionalmente, se ha desarrollado un algoritmo de apoyo de segmentación 3D basado en Level-Sets para la incorporación de la información de órgano en el registro. El algoritmo de segmentación se ha diseñado específicamente para la estimación volumétrica de hígado sano funcional y ha demostrado un buen funcionamiento en un conjunto de imágenes de TC abdominales. Los resultados muestran una mejora estadísticamente significativa de OF-MI comparada con la Información Mutua clásica en las medidas de calidad de los registros; tanto con datos simulados (p<0.001) como con datos reales en registro hepático de TC y RM con contraste Gd– EOB–DTPA y en registro para planificación de radioterapia rectal usando OF-MI multi-órgano (p<0.05). Adicionalmente, OF-MI presenta resultados más estables con menor dispersión que la Información Mutua y un comportamiento más robusto con respecto a cambios en la relación señal-ruido y a la variación de parámetros. La métrica OF-MI propuesta en esta tesis presenta siempre igual o mayor precisión que la clásica Información Mutua y consecuentemente puede ser una muy buena alternativa en aplicaciones donde la robustez del método y la facilidad en la elección de parámetros sean particularmente importantes. Abstract Pre-operative planning has become an essential task in complex surgeries and therapies, especially for those affecting soft tissue. One example where soft tissue preoperative planning is of high interest is liver surgery. It involves the accurate detection and identification of individual liver lesions and vessels as well as the proper functional liver segmentation and volume estimation. This process is very important because it determines whether the patient is a suitable candidate for surgical therapy and the type of procedure. Soft tissue radiation therapy is a second example where planning is required for both conventional external and intraoperative radiotherapy. It involves the segmentation of the tumor target and vulnerable organs and the estimation of the planned dose. Functional liver segmentations and volume estimations for surgery planning are commonly estimated from computed tomography (CT) images. Similarly, in radiation therapy planning, targets to be irradiated and healthy and vulnerable tissues to be protected from irradiation are commonly delineated on CT scans. However, developments in magnetic resonance imaging (MRI) technology are progressively offering advantages. For instance, the hepatic metastasis detection rate has been found to be significantly higher in Gd–EOB–DTPAenhanced MRI than in CT. Therefore, recent studies highlight the importance of combining the information from CT and MRI to achieve the highest level of accuracy in radiotherapy and to facilitate accurate liver lesion description. In order to improve those two soft tissue pre operative planning scenarios, an accurate nonrigid image registration algorithm is clearly required. However, the vast majority of commercial systems only provide rigid registration. Voxel intensity measures have been shown to be robust measures of image similarity, and among them, Mutual Information (MI) is always the first candidate in multimodal registrations. However, one of the main drawbacks of Mutual Information is the absence of spatial information and the assumption that statistical relationships between images are the same over the whole domain of the image. The hypothesis of the present thesis is that incorporating spatial organ information into the registration process may improve the registration robustness and quality, taking advantage of the clinical segmentations availability. In this work, a multimodal nonrigid 3D registration framework using a new Organ- Focused Mutual Information metric (OF-MI) is proposed, validated and compared to the classical formulation of the Mutual Information (MI). It allows improving registration results in problematic areas by adding regional information into the similitude criterion taking advantage of actual segmentations availability in standard clinical protocols and allowing the statistical dependence between the two modalities differ among organs or regions. The proposed method is applied to CT and T1 weighted delayed Gd–EOB–DTPA-enhanced MRI registration as well as to register CT and MRI images in rectal intraoperative radiotherapy planning. Additionally, a 3D support segmentation algorithm based on Level-Sets has been developed for the incorporation of the organ information into the registration. The segmentation algorithm has been specifically designed for the healthy and functional liver volume estimation demonstrating good performance in a set of abdominal CT studies. Results show a statistical significant improvement of registration quality measures with OF-MI compared to MI with both simulated data (p<0.001) and real data in liver applications registering CT and Gd–EOB–DTPA-enhanced MRI and in registration for rectal radiotherapy planning using multi-organ OF-MI (p<0.05). Additionally, OF-MI presents more stable results with smaller dispersion than MI and a more robust behavior with respect to SNR changes and parameters variation. The proposed OF-MI always presents equal or better accuracy than the classical MI and consequently can be a very convenient alternative within applications where the robustness of the method and the facility to choose the parameters are particularly important.

3D Wavelet-based Fusion Techniques for Biomedical Imaging

Hoy en día las técnicas de adquisición de imágenes tridimensionales son comunes en diversas áreas, pero cabe destacar la relevancia que han adquirido en el ámbito de la imagen biomédica, dentro del cual encontramos una amplia gama de técnicas como la microscopía confocal, microscopía de dos fotones, microscopía de fluorescencia mediante lámina de luz, resonancia magnética nuclear, tomografía por emisión de positrones, tomografía de coherencia óptica, ecografía 3D y un largo etcétera. Un denominador común de todas esas aplicaciones es la constante necesidad por aumentar la resolución y la calidad de las imágenes adquiridas. En algunas de dichas técnicas de imagen tridimensional se da una interesante situación: aunque que cada volumen adquirido no contiene información suficiente para representar el objeto bajo estudio dentro de los parámetros de calidad requeridos por algunas aplicaciones finales, el esquema de adquisición permite la obtención de varios volúmenes que representan diferentes vistas de dicho objeto, de tal forma que cada una de las vistas proporciona información complementaria acerca del mismo. En este tipo de situación es posible, mediante la combinación de varias de esas vistas, obtener una mejor comprensión del objeto que a partir de cada una de ellas por separado. En el contexto de esta Tesis Doctoral se ha propuesto, desarrollado y validado una nueva metodología de proceso de imágenes basada en la transformada wavelet disc¬reta para la combinación, o fusión, de varias vistas con información complementaria de un mismo objeto. El método de fusión propuesto aprovecha la capacidad de descom¬posición en escalas y orientaciones de la transformada wavelet discreta para integrar en un solo volumen toda la información distribuida entre el conjunto de vistas adquiridas. El trabajo se centra en dos modalidades diferentes de imagen biomédica que per¬miten obtener tales adquisiciones multi-vista. La primera es una variante de la micro¬scopía de fluorescencia, la microscopía de fluorescencia mediante lámina de luz, que se utiliza para el estudio del desarrollo temprano de embriones vivos en diferentes modelos animales, como el pez cebra o el erizo de mar. La segunda modalidad es la resonancia magnética nuclear con realce tardío, que constituye una valiosa herramienta para evaluar la viabilidad del tejido miocárdico en pacientes con diversas miocardiopatías. Como parte de este trabajo, el método propuesto ha sido aplicado y validado en am¬bas modalidades de imagen. En el caso de la aplicación a microscopía de fluorescencia, los resultados de la fusión muestran un mejor contraste y nivel de detalle en comparación con cualquiera de las vistas individuales y el método no requiere de conocimiento previo acerca la función de dispersión puntual del sistema de imagen. Además, los resultados se han comparado con otros métodos existentes. Con respecto a la aplicación a imagen de resonancia magnética con realce tardío, los volúmenes fusionados resultantes pre-sentan una mejora cuantitativa en la nitidez de las estructuras relevantes y permiten una interpretación más sencilla y completa de la compleja estructura tridimensional del tejido miocárdico en pacientes con cardiopatía isquémica. Para ambas aplicaciones los resultados de esta tesis se encuentran actualmente en uso en los centros clínicos y de investigación con los que el autor ha colaborado durante este trabajo. Además se ha puesto a libre disposición de la comunidad científica la implementación del método de fusión propuesto. Por último, se ha tramitado también una solicitud de patente internacional que cubre el método de visualización desarrollado para la aplicación de Resonancia Magnética Nuclear. Abstract Nowadays three dimensional imaging techniques are common in several fields, but es-pecially in biomedical imaging, where we can find a wide range of techniques including: Laser Scanning Confocal Microscopy, Laser Scanning Two Photon Microscopy, Light Sheet Fluorescence Microscopy, Magnetic Resonance Imaging, Positron Emission To-mography, Optical Coherence Tomography, 3D Ultrasound Imaging, etc. A common denominator of all those applications being the constant need for further increasing resolution and quality of the acquired images. Interestingly, in some of the mentioned three-dimensional imaging techniques a remarkable situation arises: while a single volume does not contain enough information to represent the object being imaged within the quality parameters required by the final application, the acquisition scheme allows recording several volumes which represent different views of a given object, with each of the views providing complementary information. In this kind of situation one can get a better understanding of the object by combining several views instead of looking at each of them separately. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and test new image processing methodologies based on the discrete wavelet transform for the combination, or fusion, of several views containing complementary information of a given object. The proposed fusion method exploits the scale and orientation decomposition capabil¬ities of the discrete wavelet transform to integrate in a single volume all the available information distributed among the set of acquired views. The work focuses in two different biomedical imaging modalities which provide such multi-view datasets. The first one is a particular fluorescence microscopy technique, Light-Sheet Fluorescence Microscopy, used for imaging and gaining understanding of the early development of live embryos from different animal models (like zebrafish or sea urchin). The second is Delayed Enhancement Magnetic Resonance Imaging, which is a valuable tool for assessing the viability of myocardial tissue on patients suffering from different cardiomyopathies. As part of this work, the proposed method was implemented and then validated on both imaging modalities. For the fluorescence microscopy application, the fusion results show improved contrast and detail discrimination when compared to any of the individual views and the method does not rely on prior knowledge of the system’s point spread function (PSF). Moreover, the results have shown improved performance with respect to previous PSF independent methods. With respect to its application to Delayed Enhancement Magnetic Resonance Imaging, the resulting fused volumes show a quantitative sharpness improvement and enable an easier and more complete interpretation of complex three-dimensional scar and heterogeneous tissue information in ischemic cardiomyopathy patients. In both applications, the results of this thesis are currently in use in the clinical and research centers with which the author collaborated during his work. An imple¬mentation of the fusion method has also been made freely available to the scientific community. Finally, an international patent application has been filed covering the visualization method developed for the Magnetic Resonance Imaging application.

Computational methods to create and analyze a digital gene expression atlas of embryo development from microscopy images

Abstract The creation of atlases, or digital models where information from different subjects can be combined, is a field of increasing interest in biomedical imaging. When a single image does not contain enough information to appropriately describe the organism under study, it is then necessary to acquire images of several individuals, each of them containing complementary data with respect to the rest of the components in the cohort. This approach allows creating digital prototypes, ranging from anatomical atlases of human patients and organs, obtained for instance from Magnetic Resonance Imaging, to gene expression cartographies of embryo development, typically achieved from Light Microscopy. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and validate new dedicated image processing methodologies that, based on image registration techniques, bring information from multiple individuals into alignment within a single digital atlas model. We also elaborate a dedicated software visualization platform to explore the resulting wealth of multi-dimensional data and novel analysis algo-rithms to automatically mine the generated resource in search of bio¬logical insights. In particular, this work focuses on gene expression data from developing zebrafish embryos imaged at the cellular resolution level with Two-Photon Laser Scanning Microscopy. Disposing of quantitative measurements relating multiple gene expressions to cell position and their evolution in time is a fundamental prerequisite to understand embryogenesis multi-scale processes. However, the number of gene expressions that can be simultaneously stained in one acquisition is limited due to optical and labeling constraints. These limitations motivate the implementation of atlasing strategies that can recreate a virtual gene expression multiplex. The developed computational tools have been tested in two different scenarios. The first one is the early zebrafish embryogenesis where the resulting atlas constitutes a link between the phenotype and the genotype at the cellular level. The second one is the late zebrafish brain where the resulting atlas allows studies relating gene expression to brain regionalization and neurogenesis. The proposed computational frameworks have been adapted to the requirements of both scenarios, such as the integration of partial views of the embryo into a whole embryo model with cellular resolution or the registration of anatom¬ical traits with deformable transformation models non-dependent on any specific labeling. The software implementation of the atlas generation tool (Match-IT) and the visualization platform (Atlas-IT) together with the gene expression atlas resources developed in this Thesis are to be made freely available to the scientific community. Lastly, a novel proof-of-concept experiment integrates for the first time 3D gene expression atlas resources with cell lineages extracted from live embryos, opening up the door to correlate genetic and cellular spatio-temporal dynamics. La creación de atlas, o modelos digitales, donde la información de distintos sujetos puede ser combinada, es un campo de creciente interés en imagen biomédica. Cuando una sola imagen no contiene suficientes datos como para describir apropiadamente el organismo objeto de estudio, se hace necesario adquirir imágenes de varios individuos, cada una de las cuales contiene información complementaria respecto al resto de componentes del grupo. De este modo, es posible crear prototipos digitales, que pueden ir desde atlas anatómicos de órganos y pacientes humanos, adquiridos por ejemplo mediante Resonancia Magnética, hasta cartografías de la expresión genética del desarrollo de embrionario, típicamente adquiridas mediante Microscopía Optica. Dentro de este contexto, en esta Tesis Doctoral se introducen, desarrollan y validan nuevos métodos de procesado de imagen que, basándose en técnicas de registro de imagen, son capaces de alinear imágenes y datos provenientes de múltiples individuos en un solo atlas digital. Además, se ha elaborado una plataforma de visualization específicamente diseñada para explorar la gran cantidad de datos, caracterizados por su multi-dimensionalidad, que resulta de estos métodos. Asimismo, se han propuesto novedosos algoritmos de análisis y minería de datos que permiten inspeccionar automáticamente los atlas generados en busca de conclusiones biológicas significativas. En particular, este trabajo se centra en datos de expresión genética del desarrollo embrionario del pez cebra, adquiridos mediante Microscopía dos fotones con resolución celular. Disponer de medidas cuantitativas que relacionen estas expresiones genéticas con las posiciones celulares y su evolución en el tiempo es un prerrequisito fundamental para comprender los procesos multi-escala característicos de la morfogénesis. Sin embargo, el número de expresiones genéticos que pueden ser simultáneamente etiquetados en una sola adquisición es reducido debido a limitaciones tanto ópticas como del etiquetado. Estas limitaciones requieren la implementación de estrategias de creación de atlas que puedan recrear un multiplexado virtual de expresiones genéticas. Las herramientas computacionales desarrolladas han sido validadas en dos escenarios distintos. El primer escenario es el desarrollo embrionario temprano del pez cebra, donde el atlas resultante permite constituir un vínculo, a nivel celular, entre el fenotipo y el genotipo de este organismo modelo. El segundo escenario corresponde a estadios tardíos del desarrollo del cerebro del pez cebra, donde el atlas resultante permite relacionar expresiones genéticas con la regionalización del cerebro y la formación de neuronas. La plataforma computacional desarrollada ha sido adaptada a los requisitos y retos planteados en ambos escenarios, como la integración, a resolución celular, de vistas parciales dentro de un modelo consistente en un embrión completo, o el alineamiento entre estructuras de referencia anatómica equivalentes, logrado mediante el uso de modelos de transformación deformables que no requieren ningún marcador específico. Está previsto poner a disposición de la comunidad científica tanto la herramienta de generación de atlas (Match-IT), como su plataforma de visualización (Atlas-IT), así como las bases de datos de expresión genética creadas a partir de estas herramientas. Por último, dentro de la presente Tesis Doctoral, se ha incluido una prueba conceptual innovadora que permite integrar los mencionados atlas de expresión genética tridimensionales dentro del linaje celular extraído de una adquisición in vivo de un embrión. Esta prueba conceptual abre la puerta a la posibilidad de correlar, por primera vez, las dinámicas espacio-temporales de genes y células.

Valorización de subproductos agrícolas y forestales como sustratos de cultivo en el estado de Oaxaca (México)

El presente trabajo aborda el aprovechamiento de algunos subproductos agrícolas (bagazo de maguey y fibra de coco) y forestales (corteza de pino) en el Estado de Oaxaca (Sur de México). El objetivo principal se centra en localizar, cuantificar y caracterizar estos con vistas a su aplicación como sustratos o componentes de sustratos en cultivos ornamentales, forestales y hortícolas, y a su uso como enmiendas en cultivos tipo. Así mismo se persigue reducir el uso de la turba y la tierra de monte como sustratos mayoritarios en la actualidad. Para la localización de los subproductos se utilizaron los datos de los registros parcelarios de los productores de coco para la obtención de copra (generadores de fibra de coco) de la región costa y de los productores de mezcal (generadores del residuo de bagazo de maguey) de la región valles centrales, así como las ubicaciones de los aserraderos forestales en el Estado de Oaxaca. Se emplea un Sistema de Información Geográfica (SIG) con una cartografía digitalizada de los elementos del medio (clima, geología y suelo), de los cultivos generadores (bagazo de maguey, fibra de coco y corteza de pino), de la agricultura protegida como receptora (tomate) y de la agricultura extensiva con cultivos receptores de enmienda (café, hule, limón, mango, palma de coco y maguey). La producción anual de los residuos se cartografía y cuantifica con los siguientes resultados: bagazo de maguey 624.000 t, fibra de coco 86.000 m3 y 72.000 t de corteza de pino. Mediante el estudio de las características de los suelos de los cultivos receptores y de los requerimientos de materia orgánica de cada cultivo se calcularon las necesidades totales de materia orgánica para cada suelo. Los resultados de las cantidades globales para cada cultivo en todo el Estado muestran una necesidad total de 3.112.000 t de materia orgánica como enmienda. Con los datos obtenidos y a través de un algoritmo matemático se realiza una propuesta de localización de dos plantas de compostaje (de bagazo de maguey y fibra de coco) y cuatro plantas de compostaje de corteza de pino. Con el fin de conocer los subproductos a valorizar como sustrato o componente de sustrato se caracteriza su composición física‐química, siguiendo Normas UNE‐EN, y se analizan mediante Resonancia Magnética Nuclear (RMN). Para el acondicionamiento de bagazo de maguey y la corteza de pino se realizaron ensayos de compostaje. Al final de 241 días la temperatura y la humedad de ambos procesos se encontraban en los rangos recomendados, indicando que los materiales estaban estabilizados y con calidad para ser utilizados como sustrato o componente de sustrato. Para la fibra de coco se realizó el proceso de molienda en seco de conchas de coco provenientes de la comunidad de Río Grande Oaxaca (Principal zona productora de copra en Oaxaca). Posteriormente se emplean los materiales obtenidos como componentes para sustratos de cultivo. Se estudia el compost de bagazo de maguey y siete mezclas; el compost de corteza de pino y ocho mezclas y la fibra de coco con tres mezclas. Estos sustratos alternativos permiten obtener mezclas y reducir el uso de la tierra de monte, turba, arcilla expandida y vermiculita, siendo por tanto una alternativa sostenible para la producción en invernadero. Se elaboraron mezclas especificas para el cultivo de Lilium hibrido asiático y oriental (siete mezclas), sustratos eco‐compatibles para cultivo de tomate (nueve mezclas), para la producción de planta forestal (siete mezclas) y para la producción de plántula hortícola (ocho mezclas). Como resultados más destacados del bagazo de maguey, corteza de pino y las mezclas obtenidas se resume lo siguiente: el bagazo de maguey, con volúmenes crecientes de turba (20, 30, 50 y 60 %) y la corteza de pino, con volúmenes de turba 40 y 60%, presentan valores muy recomendados de porosidad, capacidad de aireación, capacidad de retención de humedad y equilibrio agua‐aire. Para la fibra de coco, la procedente de Río Grande presenta mejor valoración que la muestra comercial de fibra de coco de Morelos. Por último se llevó a cabo la evaluación agronómica de los sustratos‐mezclas, realizando cinco experimentos por separado, estudiando el desarrollo vegetal de cultivos tipo, que se concretan en los siguientes ensayos: 1. Producción de Lilium asiático y oriental en cama para flor de corte; 2. Producción de Lilium oriental en contenedor para flor de corte; 3. Producción de plántula forestal (Pinus greggii E y Pinus oaxacana M); 4. Producción de tomate (Solanum lycopersicum L) y 5. Producción de plántula de tomate en semillero (Solanum lycopersicum L). En relación a la producción de Lilium hibrido asiático en cama los sustratos corteza de pino (CPTU 80:20 v/v), corteza de pino + sustrato comercial (CPSC 80:20 v/v) y corteza de pino+turba+arcilla expandida+vermiculita (CPTAEV2 30:40:15:15 v/v) presentan los mejores resultados. Dichos sustratos también presentan adecuados resultados para Lilium hibrido oriental con excepción de la corteza de pino + turba (CPTU 80:20 v/v). En la producción de Lilium hibrido oriental en contenedor para flor de corte, además de los sustratos de CPSC y CPTAEV2, la mezcla de corteza de pino+turba+arcilla expandida+vermiculita (CPTAEV 70:20:5:5 v/v) manifestó una respuesta favorable. En el ensayo de producción de plántulas de Pinus greggii E y Pinus oaxacana Mirov, las mezclas con corteza de pino+turba+arcilla expandida+vermiculita (CPTAEV2 30:40:15:15 v/v) y bagazo de maguey turba+arcilla expandida+vermiculita (BMTAEV2 30:60:5:5 v/v) son una alternativa que permite disminuir el empleo de turba, arcilla expandida y vermiculita, en comparación con el sustrato testigo de turba+arcilla expandida+vermiculita (TAEV 60:30:10 v/v). En la producción de tomate (Solanum lycopersicum L) frente a la utilización actual del serrín sin compostar (SSC), las mezclas alternativas de bagazo de maguey+turba (BMT 70:30 v/v), fibra de coco de Río Grande (FCRG 100v/v) y corteza de pino+turba (CPT 70:30 v/v), presentaron los mejores resultados en rendimientos. Así mismo, en la producción de plántulas de tomate las dos mezclas alternativas de bagazo de maguey+turba+ arcilla expandida+vermiculita (BMTAEV5 50:30:10:10 v/v) y (BMTAEV6 40:40:10:10 v/v) presentaron mejores resultados que los obtenidos en la mezcla comercial (Sunshine 3), mayoritariamente utilizada en México en la producción de plántula de tomate y hortícola. ABSTRACT This paper addresses the use of some agricultural products (maguey bagasse and coconut fiber) and forestry (pine bark) in the State of Oaxaca (southern Mexico). The principal purpose is to locate, quantify and characterize these with the idea of applying them as substrates or substrate components in ornamental crops, forestry, horticultural, and their use as crop amendments. On the other hand, the reduction of peat and forest soil as main substrates is pursued. For the location of the products, registry parcel data from copra producers (coconut fiber generators) of the coastal region and mescal producers (maguey bagasse residue generators) of the central valleys region, as well as the locations of forest mills in the State of Oaxaca. A Geographic Information System (GIS) with digital mapping of environmental factors (climate, geology and soil), crop generators of residues (maguey bagasse, coconut and pine bark) receptors of amendments such as protected agriculture (tomato) and extensive agriculture crops (coffee, rubber, lemon, mango, coconut and agave). The annual production of waste is mapped and quantified with the following results: 624,000t maguey bagasse, coconut fiber 72,000 m3 and 86,000 t of pine bark. Through the study of receiving crops soils properties of and organic matter requirements of each crop, total needs of organic matter for each soil were estimated. The results of the total quantities for each crop across the state show a total of 3,112,000 t of organic matter needed as amendment. Using that data and a mathematical algorithm, the location of two composting plants (agave bagasse and coconut fiber) and four composting plants pine bark was proposed. In order to know the by‐products that were going to be used as substrates or substrate components, their physical‐chemical composition was analyzed following UNE‐EN technics. Furthermore they were analyzed by Nuclear Magnetic Resonance (NMR). For conditioning of maguey bagasse and pine bark, composting essays were conducted. At the end of 241 days the temperature and humidity of both processes were at the recommended ranges, indicating that the materials were stabilized and had reached the quality to be used as a substrate or substrate component. Coconut shells from the community of Rio Grande Oaxaca (Main copra producing area in Oaxaca) were put through a process of dry milling. Subsequently, the obtained materials were used as components for growing media. We studied the maguey bagasse compost and seven mixtures; the pine bark compost and eight blends and coconut fiber with three mixtures. These alternative substrates allow obtaining mixtures and reduce the use of forest soil, peat, vermiculite and expanded clay, making it a sustainable alternative for greenhouse production. Specific mixtures were prepared for growing Lillium, Asian and eastern hybrids (seven blends), eco‐compatible substrates for tomato (nine mixtures), for producing forest plant (seven mixtures) and for the production of horticultural seedlings (eight mixtures). Results from maguey bagasse, pine bark and mixtures obtained are summarized as follows: the maguey bagasse, with increasing volumes of peat (20, 30, 50 and 60%) and pine bark mixed with 40 and 60% peat by volume, have very recommended values of porosity, aeration capacity, water retention capacity and water‐air balance. Coconut fiber from Rio Grande had better quality than commercial coconut fiber from Morelos. Finally the agronomic evaluation of substrates‐mixtures was carried out conducting five experiments separately: 1. Production of Asiatic and Eastern Lilium in bed for cut flower, 2. Production of oriental Lillium in container for cut flower, 3.Production of forest seedlings (Pinus greggii E and Pinus oaxacana M), 4. Production of tomato (Solanum lycopersicum L) and 5. Tomato seedling production in seedbed (Solanum lycopersicum L). In relation to the production of hybrid Asian Lilium in bed, pine bark substrates (CPTU 80:20 v/v), pine bark + commercial substrate (CPSC 80:20 v/v) and pine bark + peat + expanded clay + vermiculite (CPTAEV2 30:40:15:15 v/v) showed the best results. Such substrates also have adequate results for Lilium Oriental hybrid except pine bark + peat (CPTU 80:20 v / v). In the production of Lilium oriental hybrid container for cut flower, besides the CPSC and CPTAEV2 substrates, the mixture of pine bark + peat + vermiculite expanded clay (CPTAEV 70:20:5:5 v / v) showed a favorable response. In the production of Pinus greggii E and Pinus oaxacana Mirov seedlings trial, mixtures with pine bark + peat + expanded clay + vermiculite (CPTAEV2 30:40:15:15 v/v) and maguey bagasse+ peat+ expanded clay + vermiculite (BMTAEV2 30:60:5:5 v / v) are an alternative which allows reducing the use of peat, vermiculite and expanded clay in comparison with the control substrate made of peat + expanded clay+ vermiculite (60:30 TAEV: 10 v/v). In the production of tomato (Solanum lycopersicum L), alternative mixes of maguey bagasse + peat (BMT 70:30 v/v), coconut fiber from Rio Grande (FCRG 100 v / v) and pine bark + peat (CPT 70:30 v / v) showed the best results in yields versus the current use of sawdust without compost (SSC). Likewise, in the production of tomato seedlings of the two alternative mixtures maguey bagasse + peat expanded clay + vermiculite (BMTAEV5 50:30:10:10 v/v) and (BMTAEV6 40:40:10:10 v/v) had better results than those obtained in the commercial mixture (Sunshine 3), mainly used in Mexico in tomato seedling production and horticulture.

Herramienta de modelado disfuncional tridimensional basado en estudios de neuroimagen

El modelado disfuncional basado en estudios de neuroimagen mejora la comprensión de los cambios estructurales provocados ante la presencia de lesiones cerebrales. Actualmente, existen numerosas herramientas para el análisis y procesado de estudios de neuroimagen. Algunas de ellas, como el 3D Slicer, BrainVoyager y el FreeSurfer permiten la creación y navegación sobre modelos tridimensionales cerebrales sin alteraciones estructurales. Sin embargo, no se han detectado herramientas que permitan modelar tridimensionalmente lesiones a partir de estudios de neuroimagen, concretamente de estudios de resonancia magnética. El objetivo de este trabajo es el diseño de una metodología que permite la creación de este tipo de modelos y su visualización y navegación.

Desarrollo de una herramienta para el análisis de imágenes cerebrales multimodales

En la actualidad, el desarrollo de las tecnologías de adquisición y análisis de imagen médica permiten la implementación de aplicaciones con fines clínicos y de investigación que resulten en un mejor conocimiento de la fisiopatología humana y, en la práctica, un mejor tratamiento a los pacientes. Utilizando imágenes de resonancia magnética nuclear y de tomografía por emisión de fotón único (SPECT), se han desarrollado los algoritmos de registro necesarios para ser integrados en dos procedimientos de uso clínico. En el primero de estos procedimientos, el objetivo es la localización del foco epileptogénico en casos de epilepsia fármacorresistente mediante el protocolo denominado SISCOM. En este contexto, se ha implementado un algoritmo de registro rígido para el corregistro de Resonancia Magnética e imagen SPECT interictal, así como un algoritmo de registro afín que ayuda a la segmentación de imágenes SPECT. Así mismo, se han validado y caracterizado ambos algoritmos y la librería sobre la que se han desarrollado. El segundo procedimiento tiene por objeto la cuantificación de neurotransmisores dopaminérgicos para el diagnóstico de Enfermedad de Parkinson. En este contexto, se ha implementado un algoritmo de registro SPECT-template necesario para realizar correctamente la cuantificación.