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.

Effect of short-term fasting prior to slaughter on welfare and meat quality or rainbow trout (Oncorhynchus mykiss)

El manejo pre-sacrificio es de vital importancia en acuicultura, ya que afecta tanto a las reacciones fisiológicas como a los procesos bioquímicos post mortem, y por tanto al bienestar y a la calidad del producto. El ayuno pre-sacrificio se lleva a cabo de forma habitual en acuicultura, ya que permite el vaciado del aparato digestivo de restos de alimento y heces, reduciendo de esta manera la carga bacteriana en el intestino y la dispersión de enzimas digestivos y potenciales patógenos a la carne. Sin embargo, la duración óptima de este ayuno sin que el pez sufra un estrés innecesario no está clara. Además, se sabe muy poco sobre la mejor hora del día para realizar el sacrificio, lo que a su vez está regido por los ritmos diarios de los parámetros fisiológicos de estrés. Finalmente, se sabe que la temperatura del agua juega un papel muy importante en la fisiología del estrés pero no se ha determinado su efecto en combinación con el ayuno. Además, las actuales recomendaciones en relación a la duración óptima del ayuno previo al sacrificio en peces no suelen considerar la temperatura del agua y se basan únicamente en días y no en grados día (ºC d). Se determinó el efecto del ayuno previo al sacrificio (1, 2 y 3 días, equivalente a 11,1-68,0 grados día) y la hora de sacrificio (08h00, 14h00 y 20h00) en trucha arco iris (Oncorhynchus mykiss) de tamaño comercial en cuatro pruebas usando diferentes temperaturas de agua (Prueba 1: 11,8 ºC; Prueba 2: 19,2 ºC; Prueba 3: 11,1 ºC; y Prueba 4: 22,7 ºC). Se midieron indicadores biométricos, hematológicos, metabólicos y de calidad de la carne. En cada prueba, los valores de los animales ayunados (n=90) se compararon con 90 animales control mantenidos bajo condiciones similares pero nos ayunados. Los resultados sugieren que el ayuno tuvo un efecto significativo sobre los indicadores biométricos. El coeficiente de condición en los animales ayunados fue menor que en los controles después de 2 días de ayuno. El vaciado del aparato digestivo se produjo durante las primeras 24 h de ayuno, encontrándose pequeñas cantidades de alimento después de 48 h. Por otra parte, este vaciado fue más rápido cuando las temperaturas fueron más altas. El peso del hígado de los animales ayunados fue menor y las diferencias entre truchas ayunadas y controles fueron más evidentes a medida que el vaciado del aparato digestivo fue más rápido. El efecto del ayuno hasta 3 días en los indicadores hematológicos no fue significativo. Los niveles de cortisol en plasma resultaron ser altos tanto en truchas ayunadas como en las alimentadas en todas las pruebas realizadas. La concentración media de glucosa varió entre pruebas pero mostró una tendencia a disminuir en animales ayunados a medida que el ayuno progresaba. En cualquier caso, parece que la temperatura del agua jugó un papel muy importante, ya que se encontraron concentraciones más altas durante los días 2 y 3 de ayuno en animales mantenidos a temperaturas más bajas previamente al sacrificio. Los altos niveles de lactato obtenidos en sangre parecen sugerir episodios de intensa actividad muscular pero no se pudo encontrar relación con el ayuno. De la misma manera, el nivel de hematocrito no mostró efecto alguno del ayuno y los leucocitos tendieron a ser más altos cuando los animales estaban menos estresados y cuando su condición corporal fue mayor. Finalmente, la disminución del peso del hígado (índice hepatosomático) en la Prueba 3 no se vio acompañada de una reducción del glucógeno hepático, lo que sugiere que las truchas emplearon una estrategia diferente para mantener constantes los niveles de glucosa durante el periodo de ayuno en esa prueba. En relación a la hora de sacrificio, se obtuvieron niveles más bajos de cortisol a las 20h00, lo que indica que las truchas estaban menos estresadas y que el manejo pre-sacrificio podría resultar menos estresante por la noche. Los niveles de hematocrito fueron también más bajos a las 20h00 pero solo con temperaturas más bajas, sugiriendo que las altas temperaturas incrementan el metabolismo. Ni el ayuno ni la hora de sacrificio tuvieron un efecto significativo sobre la evolución de la calidad de la carne durante los 3 días de almacenamiento. Por el contrario, el tiempo de almacenamiento sí que parece tener un efecto claro sobre los parámetros de calidad del producto final. Los niveles más bajos de pH se alcanzaron a las 24-48 h post mortem, con una lata variabilidad entre duraciones del ayuno (1, 2 y 3 días) en animales sacrificados a las 20h00, aunque no se pudo distinguir ningún patrón común. Por otra parte, la mayor rigidez asociada al rigor mortis se produjo a las 24 h del sacrificio. La capacidad de retención de agua se mostró muy estable durante el período de almacenamiento y parece ser independiente de los cambios en el pH. El parámetro L* de color se incrementó a medida que avanzaba el período de almacenamiento de la carne, mientras que los valores a* y b* no variaron en gran medida. En conclusión, basándose en los resultados hematológicos, el sacrificio a última hora del día parece tener un efecto menos negativo en el bienestar. De manera general, nuestros resultados sugieren que la trucha arco iris puede soportar un período de ayuno previo al sacrificio de hasta 3 días o 68 ºC d sin que su bienestar se vea seriamente comprometido. Es probable que con temperaturas más bajas las truchas pudieran ser ayunadas durante más tiempo sin ningún efecto negativo sobre su bienestar. En cualquier caso, se necesitan más estudios para determinar la relación entre la temperatura del agua y la duración óptima del ayuno en términos de pérdida de peso vivo y la disminución de los niveles de glucosa en sangre y otros indicadores metabólicos. SUMMARY Pre-slaughter handling in fish is important because it affects both physiological reactions and post mortem biochemical processes, and thus welfare and product quality. Pre-slaughter fasting is regularly carried out in aquaculture, as it empties the viscera of food and faeces, thus reducing the intestinal bacteria load and the spread of gut enzymes and potential pathogens to the flesh. However, it is unclear how long rainbow trout can be fasted before suffering unnecessary stress. In addition, very little is known about the best time of the day to slaughter fish, which may in turn be dictated by diurnal rhythms in physiological stress parameters. Water temperature is also known to play a very important role in stress physiology in fish but the combined effect with fasting is unclear. Current recommendations regarding the optimal duration of pre-slaughter fasting do not normally consider water temperature and are only based on days, not degree days (ºC d). The effects of short-term fasting prior to slaughter (1, 2 and 3 days, between 11.1 and 68.0 ºC days) and hour of slaughter (08h00, 14h00 and 20h00) were determined in commercial-sized rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) over four trials at different water temperatures (TRIAL 1, 11.8 ºC; TRIAL 2, 19.2 ºC; TRIAL 3, 11.1 ºC; and TRIAL 4, 22.7 ºC). We measured biometric, haematological, metabolic and product quality indicators. In each trial, the values of fasted fish (n=90) were compared with 90 control fish kept under similar conditions but not fasted. Results show that fasting affected biometric indicators. The coefficient of condition in fasted trout was lower than controls 2 days after food deprivation. Gut emptying occurred within the first 24 h after the cessation of feeding, with small traces of digesta after 48 h. Gut emptying was faster at higher water temperatures. Liver weight decreased in food deprived fish and differences between fasted and fed trout were more evident when gut clearance was faster. The overall effect of fasting for up to three days on haematological indicators was small. Plasma cortisol levels were high in both fasted and fed fish in all trials. Plasma glucose response to fasting varied among trials, but it tended to be lower in fasted fish as the days of fasting increased. In any case, it seems that water temperature played a more important role, with higher concentrations at lower temperatures on days 2 and 3 after the cessation of feeding. Plasma lactate levels indicate moments of high muscular activity and were also high, but no variation related to fasting could be found. Haematocrit did not show any significant effect of fasting, but leucocytes tended to be higher when trout were less stressed and when their body condition was higher. Finally, the loss of liver weight was not accompanied by a decrease in liver glycogen (only measured in TRIAL 3), suggesting that a different strategy to maintain plasma glucose levels was used. Regarding the hour of slaughter, lower cortisol levels were found at 20h00, suggesting that trout were less stressed later in the day and that pre-slaughter handling may be less stressful at night. Haematocrit levels were also lower at 20h00 but only at lower temperatures, indicating that higher temperatures increase metabolism. Neither fasting nor the hour of slaughter had a significant effect on the evolution of meat quality during 3 days of storage. In contrast, storage time seemed to have a more important effect on meat quality parameters. The lowest pH was reached 24-48 h post mortem, with a higher variability among fasting durations at 20h00, although no clear pattern could be discerned. Maximum stiffening from rigor mortis occurred after 24 h. The water holding capacity was very stable throughout storage and seemed to be independent of pH changes. Meat lightness (L*) slightly increased during storage and a* and b*-values were relatively stable. In conclusion, based on the haematological results, slaughtering at night may have less of a negative effect on welfare than at other times of the day. Overall, our results suggest that rainbow trout can cope well with fasting up to three days or 68 ºC d prior to slaughter and that their welfare is therefore not seriously compromised. At low water temperatures, trout could probably be fasted for longer periods without negative effects on welfare but more research is needed to determine the relationship between water temperature and days of fasting in terms of loss of live weight and the decrease in plasma glucose and other metabolic indicators.