Rendimientos productivos y calidad de la canal de hembras, machos castrados quirurgicamente y machos inmunocastrados procedentes de líneas paternas duroc y pietrain

Tradicionalmente la castración quirúrgica ha sido la práctica más habitual en la producción de cerdo blanco destinado a la industria de productos cárnicos curados. La castración quirúrgica conlleva un empeoramiento de los rendimientos productivos y penaliza el bienestar animal. Como alternativa ha surgido la inmunización de los cerdos contra el factor de liberación de la gonadotropina (GnRH) (Fàbrega et al., 2010). La inmunocastración suprime la función testicular (Zamaratskaia et al., 2008) y reduce la producción de androsterona (Dunshea et al., 2001) y escatol (Matthews et al., 2000) así como la agresividad (Jaros et al., 2005). Por tanto, la inmunocastración puede ser una alternativa a la castración física en situaciones comerciales. Por otro lado, para la obtención de productos curados se precisan canales con más grasa y mayor proporción de partes nobles que para productos frescos, por lo que se utilizan estrategias como aumentar el peso al sacrificio o el cruce con líneas paternas específicas. El objetivo de este estudio fue evaluar el rendimiento productivo y la calidad de la canal de hembras enteras (HE), machos castrados (MC) y machos inmunocastrados (MI) procedentes de genéticas paternas Duroc (DU) y Pietrain (PI) con un peso al sacrificio de 134 kg.

Métodos de segmentación y seguimiento de estructuras para vídeo laparoscópico.

En este artículo se presenta el diseño, implementación y evaluación de tres métodos que permiten realizar la detección y el seguimiento de estructuras de interés seleccionadas por el usuario a lo largo de un conjunto de fotogramas de vídeo quirúrgico. El objetivo de estos métodos es la extracción de la información relativa a las estructuras presentes en una determinada escena quirúrgica en entornos de formación o durante los procedimientos de mínima invasión. Los resultados muestran su directa aplicabilidad a entornos didácticos, por ser técnicas semiautomáticas en las que se requiere interacción del usuario.

Estudio mecánico sobre la resistencia de la pared de la aorta humana como predictor de riesgo de rotura de aneurisma

Definir el riesgo de rotura de un aneurisma, se considera un factor básico para elegir el momento adecuado de la intervención quirúrgica. Uno de los parámetros clásico utilizados es el diámetro del aneurisma (Ley de la Place). Sin embargo, otro factor mecánico como es el cociente entre la tensión máxima que soporta la pared (depende del diámetro de la aorta y de la morfología) y de la resistencia del material (pared de la aorta) es un elemento poco conocido. La razón estriba en comparar aortas “sanas” con “patológicas”. Este estudio lo hemos realizado en colaboración con el Departamento de Ciencias de Materiales de la Universidad Politécnica de Madrid

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.

Conceptual framework for the design, implementation and validation of psychomotor skills’ assessment systems in minimally invasive surgery

Las técnicas de cirugía de mínima invasión (CMI) se están consolidando hoy en día como alternativa a la cirugía tradicional, debido a sus numerosos beneficios para los pacientes. Este cambio de paradigma implica que los cirujanos deben aprender una serie de habilidades distintas de aquellas requeridas en cirugía abierta. El entrenamiento y evaluación de estas habilidades se ha convertido en una de las mayores preocupaciones en los programas de formación de cirujanos, debido en gran parte a la presión de una sociedad que exige cirujanos bien preparados y una reducción en el número de errores médicos. Por tanto, se está prestando especial atención a la definición de nuevos programas que permitan el entrenamiento y la evaluación de las habilidades psicomotoras en entornos seguros antes de que los nuevos cirujanos puedan operar sobre pacientes reales. Para tal fin, hospitales y centros de formación están gradualmente incorporando instalaciones de entrenamiento donde los residentes puedan practicar y aprender sin riesgos. Es cada vez más común que estos laboratorios dispongan de simuladores virtuales o simuladores físicos capaces de registrar los movimientos del instrumental de cada residente. Estos simuladores ofrecen una gran variedad de tareas de entrenamiento y evaluación, así como la posibilidad de obtener información objetiva de los ejercicios. Los diferentes estudios de validación llevados a cabo dan muestra de su utilidad; pese a todo, los niveles de evidencia presentados son en muchas ocasiones insuficientes. Lo que es más importante, no existe un consenso claro a la hora de definir qué métricas son más útiles para caracterizar la pericia quirúrgica. El objetivo de esta tesis doctoral es diseñar y validar un marco de trabajo conceptual para la definición y validación de entornos para la evaluación de habilidades en CMI, en base a un modelo en tres fases: pedagógica (tareas y métricas a emplear), tecnológica (tecnologías de adquisición de métricas) y analítica (interpretación de la competencia en base a las métricas). Para tal fin, se describe la implementación práctica de un entorno basado en (1) un sistema de seguimiento de instrumental fundamentado en el análisis del vídeo laparoscópico; y (2) la determinación de la pericia en base a métricas de movimiento del instrumental. Para la fase pedagógica se diseñó e implementó un conjunto de tareas para la evaluación de habilidades psicomotoras básicas, así como una serie de métricas de movimiento. La validación de construcción llevada a cabo sobre ellas mostró buenos resultados para tiempo, camino recorrido, profundidad, velocidad media, aceleración media, economía de área y economía de volumen. Adicionalmente, los resultados obtenidos en la validación de apariencia fueron en general positivos en todos los grupos considerados (noveles, residentes, expertos). Para la fase tecnológica, se introdujo el EVA Tracking System, una solución para el seguimiento del instrumental quirúrgico basado en el análisis del vídeo endoscópico. La precisión del sistema se evaluó a 16,33ppRMS para el seguimiento 2D de la herramienta en la imagen; y a 13mmRMS para el seguimiento espacial de la misma. La validación de construcción con una de las tareas de evaluación mostró buenos resultados para tiempo, camino recorrido, profundidad, velocidad media, aceleración media, economía de área y economía de volumen. La validación concurrente con el TrEndo® Tracking System por su parte presentó valores altos de correlación para 8 de las 9 métricas analizadas. Finalmente, para la fase analítica se comparó el comportamiento de tres clasificadores supervisados a la hora de determinar automáticamente la pericia quirúrgica en base a la información de movimiento del instrumental, basados en aproximaciones lineales (análisis lineal discriminante, LDA), no lineales (máquinas de soporte vectorial, SVM) y difusas (sistemas adaptativos de inferencia neurodifusa, ANFIS). Los resultados muestran que en media SVM presenta un comportamiento ligeramente superior: 78,2% frente a los 71% y 71,7% obtenidos por ANFIS y LDA respectivamente. Sin embargo las diferencias estadísticas medidas entre los tres no fueron demostradas significativas. En general, esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas relativas a la definición de sistemas de evaluación de habilidades para cirugía de mínima invasión, a la utilidad del análisis de vídeo como fuente de información y a la importancia de la información de movimiento de instrumental a la hora de caracterizar la pericia quirúrgica. Basándose en estos cimientos, se han de abrir nuevos campos de investigación que contribuyan a la definición de programas de formación estructurados y objetivos, que puedan garantizar la acreditación de cirujanos sobradamente preparados y promocionen la seguridad del paciente en el quirófano. Abstract Minimally invasive surgery (MIS) techniques have become a standard in many surgical sub-specialties, due to their many benefits for patients. However, this shift in paradigm implies that surgeons must acquire a complete different set of skills than those normally attributed to open surgery. Training and assessment of these skills has become a major concern in surgical learning programmes, especially considering the social demand for better-prepared professionals and for the decrease of medical errors. Therefore, much effort is being put in the definition of structured MIS learning programmes, where practice with real patients in the operating room (OR) can be delayed until the resident can attest for a minimum level of psychomotor competence. To this end, skills’ laboratory settings are being introduced in hospitals and training centres where residents may practice and be assessed on their psychomotor skills. Technological advances in the field of tracking technologies and virtual reality (VR) have enabled the creation of new learning systems such as VR simulators or enhanced box trainers. These systems offer a wide range of tasks, as well as the capability of registering objective data on the trainees’ performance. Validation studies give proof of their usefulness; however, levels of evidence reported are in many cases low. More importantly, there is still no clear consensus on topics such as the optimal metrics that must be used to assess competence, the validity of VR simulation, the portability of tracking technologies into real surgeries (for advanced assessment) or the degree to which the skills measured and obtained in laboratory environments transfer to the OR. The purpose of this PhD is to design and validate a conceptual framework for the definition and validation of MIS assessment environments based on a three-pillared model defining three main stages: pedagogical (tasks and metrics to employ), technological (metric acquisition technologies) and analytical (interpretation of competence based on metrics). To this end, a practical implementation of the framework is presented, focused on (1) a video-based tracking system and (2) the determination of surgical competence based on the laparoscopic instruments’ motionrelated data. The pedagogical stage’s results led to the design and implementation of a set of basic tasks for MIS psychomotor skills’ assessment, as well as the definition of motion analysis parameters (MAPs) to measure performance on said tasks. Validation yielded good construct results for parameters such as time, path length, depth, average speed, average acceleration, economy of area and economy of volume. Additionally, face validation results showed positive acceptance on behalf of the experts, residents and novices. For the technological stage the EVA Tracking System is introduced. EVA provides a solution for tracking laparoscopic instruments from the analysis of the monoscopic video image. Accuracy tests for the system are presented, which yielded an average RMSE of 16.33pp for 2D tracking of the instrument on the image and of 13mm for 3D spatial tracking. A validation experiment was conducted using one of the tasks and the most relevant MAPs. Construct validation showed significant differences for time, path length, depth, average speed, average acceleration, economy of area and economy of volume; especially between novices and residents/experts. More importantly, concurrent validation with the TrEndo® Tracking System presented high correlation values (>0.7) for 8 of the 9 MAPs proposed. Finally, the analytical stage allowed comparing the performance of three different supervised classification strategies in the determination of surgical competence based on motion-related information. The three classifiers were based on linear (linear discriminant analysis, LDA), non-linear (support vector machines, SVM) and fuzzy (adaptive neuro fuzzy inference systems, ANFIS) approaches. Results for SVM show slightly better performance than the other two classifiers: on average, accuracy for LDA, SVM and ANFIS was of 71.7%, 78.2% and 71% respectively. However, when confronted, no statistical significance was found between any of the three. Overall, this PhD corroborates the investigated research hypotheses regarding the definition of MIS assessment systems, the use of endoscopic video analysis as the main source of information and the relevance of motion analysis in the determination of surgical competence. New research fields in the training and assessment of MIS surgeons can be proposed based on these foundations, in order to contribute to the definition of structured and objective learning programmes that guarantee the accreditation of well-prepared professionals and the promotion of patient safety in the OR.

Utilidad del vídeo quirúrgico en las cirugías de mínima invasión

El vídeo quirúrgico es la principal fuente de información intraoperatoria para el seguimiento de la intervención quirúrgica. Actualmente, su uso como medio de análisis no se halla implantado. Este trabajo presenta su utilidad con casos de uso reales que explotan la información presente en los vídeos a través del procesamiento de los vídeos. Los algoritmos desarrollados permiten la segmentación y seguimiento de los elementos de la escena, la reconstrucción y la localización espacial de los trócares. Se presenta a modo de ejemplos un entorno de formación y un sistema de navegación quirúrgica que explotan la información presente en los vídeos captados por el endoscopio.

Comparación de algoritmos detectores de puntos singulares para reconocimiento de objetos en vídeo quirúrgico.

El análisis de vídeo laparoscópico ofrece nuevas posibilidades a la navegación quirúrgica al garantizar una incorporación mínima de tecnología en quirófano, evitando así alterar la ergonomía y los flujos de trabajo de las intervenciones. Una de sus principales ventajas es que puede servir como fuente de datos para reconstruir tridimensionalmente la escena laparoscópica, lo que permite dotar al cirujano de la sensación de profundidad perdida en este tipo de cirugía. En el presente trabajo de investigación se comparan dos detectores de puntos singulares, SIFT y SURF, para estimar cuál de los dos podría integrarse en un algoritmo de cálculo de coordenadas 3D, MonoSLAM, basado en la detección y el seguimiento de estos puntos singulares en los fotogramas del vídeo. Los resultados obtenidos posicionan a SURF como la mejor opción gracias a su rapidez y a su mayor capacidad de discriminación entre estructuras anatómicas e instrumental quirúrgico.

Validación, caracterización y aplicación clínica en neuroimagen multimodalidad de técnicas de registro basadas en Teoría de la Información

La correcta validación y evaluación de cualquier algoritmo de registro incluido en la línea de procesamiento de cualquier aplicación clínica, es fundamental para asegurar la calidad y fiabilidad de los resultados obtenidos con ellas. Ambas características son imprescindibles, además, cuando dicha aplicación se encuentra en el área de la planificación quirúrgica, en la que las decisiones médicas influyen claramente en la invasividad sobre el paciente. El registro de imágenes es un proceso de alineamiento entre dos o más de éstas de forma que las características comunes se encuentren en el mismo punto del espacio. Este proceso, por tanto, se hace imprescindible en aquellas aplicaciones en las que existe la necesidad de combinar la información disponible en diferentes modalidades (fusión de imágenes) o bien la comparación de imágenes intra-modalidad tomadas de diferentes pacientes o en diferentes momentos. En el presente Trabajo Fin de Máster, se desarrolla un conjunto de herramientas para la evaluación de algoritmos de registro y se evalúan en la aplicación sobre imágenes multimodalidad a través de dos metodologías: 1) el uso de imágenes cuya alineación se conoce a priori a través de unos marcadores fiables (fiducial markers) eliminados de las imágenes antes del proceso de validación; y 2) el uso de imágenes sintetizadas con las propiedades de cierta modalidad de interés, generadas en base a otra modalidad objetivo y cuya des-alineación es controlada y conocida a priori. Para la primera de las metodologías, se hizo uso de un proyecto (RIRE – Retrospective Image Registration Evaluation Project) ampliamente conocido y que asegura la fiabilidad de la validación al realizarse por terceros. En la segunda, se propone la utilización de una metodología de simulación de imágenes SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) a partir de imágenes de Resonancia Magnética (que es la referencia anatómica). Finalmente, se realiza la modularización del algoritmo de registro validado en la herramienta FocusDET, para la localización del Foco Epileptógeno (FE) en Epilepsia parcial intratable, sustituyendo a la versión anterior en la que el proceso de registro se encontraba embebido en dicho software, dificultando enormemente cualquier tarea de revisión, validación o evaluación.

Influencia de la castración y la línea genética paterna sobre el rendimiento productivo y la calidad de la canal y de la carne en cerdos sacrificados a pesos elevados

El objetivo general de esta Tesis Doctoral fue estudiar la influencia del sexo, el método de castración de los machos y la línea genética paterna sobre la productividad y la calidad de la canal y de la carne en cerdos blancos sacrificados a pesos elevados con destino a la industria de los productos curados de calidad. En el experimento 1, se utilizaron 360 cerdos sacrificados a 125 kg de peso vivo (PV) para estudiar la influencia del sexo y la castración [machos inmunocastrados (MI), machos castrados quirúrgicamente (MC) y hembras enteras (HE)] de dos líneas genéticas paternas Large White (Top York y Tempo) sobre los rendimientos productivos y la calidad de la canal y de la carne. La línea materna utilizada fue Large White × Landrace en todos los casos. Los MI se inmunizaron contra el factor de liberación de gonadotropina (GnRF) mediante la utilización de Improvac a los 78 (16 d en prueba) y 126 (64 d en prueba y 48 d antes del sacrificio) d de edad. Cada uno de los 6 tratamientos experimentales fue replicado 6 veces (cuadra con 10 cerdos). Desde el inicio de la prueba hasta el día de la primera inyección con Improvac (62 a 78 d de edad) los MI y las HE crecieron menos (P < 0,001) que los MC sin que se observaran diferencias en el consumo medio diario de pienso (CMD). Los MC tuvieron peor eficiencia alimenticia que las HE con los MI mostrando valores intermedios (P < 0,01). Entre las dos inyecciones de Improvac (78 a 126 d de edad), los MI crecieron y comieron menos que los MC, mostrando las HE valores intermedios (P < 0,001). Los MI fueron más eficientes que las HE y ambos más eficientes que los MC (P < 0,001). Sin embargo, desde la segunda inyección de Improvac hasta el sacrificio (126 a 174 d de edad) los MI crecieron más y fueron más eficientes (P < 0,001) que las HE y los MC. Al final de la prueba, MI y MC crecieron más (P < 0,01) que HE. Asimismo, los MI fueron más eficientes (P < 0,001) pero presentaron menor rendimiento de canal (P < 0,001) que los MC y las HE. Por otro lado, los MI y las HE depositaron menos grasa dorsal que los MC (P < 0,001). Las hembras tuvieron mayor rendimiento de lomo y menos grasa intramuscular que MI y MC (P < 0,01). Asimismo, las HE tuvieron mayor rendimiento de jamón en fresco y perfilado que los MC con los MI mostrando valores intermedios (P < 0,05). Los cerdos híbridos procedentes de machos Tempo crecieron más (P < 0,001) que los procedentes de machos Top York, sin que se encontraran diferencias para el CMD o para la eficiencia alimenticia. Los híbridos de los cruces con Top York tuvieron mejores rendimientos de jamones frescos y perfilados (P < 0,05) pero menor rendimiento de lomo y menos grasa intramuscular que los cruces con Tempo (P < 0,01). En conclusión, los MI presentaron mejor eficiencia alimenticia, pero menor rendimiento de canal que los MC y las HE. El contenido en grasa intramuscular fue similar entre MC y MI y superior para ambos que para las HE. Los cruces procedentes de la línea paterna Tempo crecieron más y tuvieron mayor contenido en grasa intramuscular, pero un rendimiento en jamón perfilado ligeramente inferior al de los cruces procedentes de la línea paterna Top York. Se concluye que la inmunocastración de los machos es una alternativa viable a la castración quirúrgica para la producción de cerdos pesados destinados a la industria de los productos curados. Debido a su mayor potencial de crecimiento y mayor contenido en grasa intramuscular, los híbridos procedentes de la línea paterna Tempo presentan ventajas frente a los híbridos procedentes de la línea paterna Top York cuando se destinan a la industria de productos curados de calidad. En el experimento 2, se utilizaron 240 cerdos para comparar los rendimientos productivos y los parámetros de calidad de la canal de MI, MC y HE destinados a la industria de productos cárnicos curados procedentes del cruce de la línea materna Large White × Landrace con la línea genética paterna Duroc o Pietrain. Entre las 2 inyecciones de Improvac (87 a 137 d de edad), los MI y las HE crecieron menos que los MC (P < 0,01). Asimismo, los MI comieron menos pienso que las HE y ambos menos que los MC (2,33, 2,55 y 2,77 kg/d; respectivamente; P < 0,001). Como resultado, los MI fueron más eficientes que los MC y las HE (P < 0,001). Desde la segunda inyección de Improvac hasta el momento del sacrificio (137 a 164 d de edad), los MI fueron más eficientes que las HE y ambos más que los MC (0,346, 0,323 y 0,300, respectivamente; P < 0,001). Las diferencias observadas en este periodo entre los sexos en cuanto a rendimientos productivos fueron más pronunciadas en los cerdos procedentes de la línea paterna Pietrain que los de la línea Duroc (P < 0,05 para la interacción). En el global de la prueba (87 a 164 d de edad) el sexo no afectó al crecimiento en los cerdos procedentes de la línea paterna Duroc pero en los cerdos procedentes de la línea paterna Pietrain, los MI y los MC crecieron más que las HE (P < 0,05 para la interacción). Asimismo, los MI tuvieron mejor eficiencia alimenticia (0,406, 0,364 y 0,380, P < 0,001) y menor rendimiento de la canal (76,6, 78,1 y 78,8%; P < 0,001) que los MC y las HE. Las canales de las HE fueron más magras que las canales de los MC, con las canales de los MI mostrando valores intermedios (P < 0,01). El rendimiento en jamones y lomos fue mayor para las HE que para los MI y los MC (P < 0,001). El contenido en grasa intramuscular fue menor en las HE que en los MC, con los MI mostrando valores intermedios (3,5 vs. 3,9 y 3,7%; P < 0,05). Por otra parte, los híbridos procedentes de machos Duroc crecieron más rápido (1,167 vs. 0,986 kg/d; P < 0,001), consumieron más pienso (3,07 vs. 2,56 kg/d; P < 0,001) y tuvieron más grasa intramuscular (P < 0,001), pero menor rendimiento en jamones y lomos (P < 0,01) que los híbridos procedentes de machos Pietrain. Se concluye que los MI presentaron mejores productividades pero menores rendimientos de canal que MC y HE. El contenido en grasa intramuscular en el músculo longissimus dorsi fue menor para las HE que para los MC con valores intermedios para los MI. Los cruces procedentes de la genética paterna Duroc crecieron más y tuvieron más grasa intramuscular pero menos rendimiento de jamón que los cerdos procedentes de machos Pietrain. Por tanto, los MI deben ser preferidos a los MC y los cruces con la línea paterna Duroc deben ser preferidos a los cruces con Pietrain para producir canales cuando sus partes nobles están destinadas a la industria de productos cárnicos curados. En base a estos resultados, se concluye que la inmunocastración es una alternativa factible a la castración quirúrgica y que líneas genéticas paternas Tempo y Duroc son mejores para la producción de cerdo blanco pesado que las líneas Top York y Pietrain. Las interacciones entre el sexo y las líneas genéticas paternas estudiadas, sugieren que el resultado final depende en parte de la línea genética paterna utilizada. En cualquier caso, la inmunocastración es una alternativa factible a la castración quirúrgica para la producción de canales destinadas a la industria de los productos cárnicos curados. ABSTRACT The general aim of this PhD Thesis was to study the influence of sex, method of castration, and genetic background of the sire line on growth performance and carcass and meat quality merits of heavy white pigs destined to the dry-cured industry. In experiment 1, 360 pigs slaughtered at 125 kg of body weight were used to study the influence of sex and castration methodology [immunocastrated males (ICM), surgically castrated males (SCM), and intact females (IF)] of 2 terminal Large White sire lines (Top York and Tempo) on growth performance and carcass and meat quality. The female line was Large White × Landrace in all cases. The ICM pigs were immunized against gonadotropin-releasing factor with Improvac at 78 (16 d on trial) and 126 (64 d on trial and 48 d before slaughter) d of age. Each of the 6 treatments was replicated 6 times (10 pigs/pen). From the start of the experiment to the day of the first Improvac injection (62 to 78 d of age), ICM and IF grew slowlier (P < 0.001) than SCM but no differences in feed intake were detected. The SCM pigs had greater gain to feed ratio (G:F) than the IF with the ICM pigs being intermediate (P < 0.01). Between the 2 Improvac injections (78 to 126 d of age), the ICM pigs ate less feed (P < 0.001) and grew slowlier rate than the SCM pigs, with the growth of IF being intermediate. The ICM pigs were more efficient than the IF, and both were more efficient than the SCM pigs (P < 0.001). However, from the second Improvac injection to slaughter (126 to 174 d of age), the ICM pigs grew at a faster rate (P < 0.001) and were more efficient (P < 0.001) than the IF and the SCM pigs. Cumulatively, ICM and SCM pigs grew faster (P < 0.01) than IF and the ICM pigs were more efficient than the other two sexes (P < 0.001). However, the ICM pigs had reduced (P < 0.001) carcass yield compared with SCM and IF. The ICM and IF pigs also had less (P < 0.001) backfat depth than the SCM pigs. Intact females had higher (P < 0.01) loin yield but less intramuscular fat (P < 0.01) than ICM and SCM pigs and higher (P < 0.05) fresh and trimmed ham yields than SCM pigs, with ICM pigs being intermediate. Crossbreds from the Tempo sires grew faster (P < 0.001) than crossbreds from the Top York sires but no differences (P > 0.10) were detected for feed intake or feed efficiency. Crossbreds from the Top York sires had higher (P < 0.05) fresh and trimmed ham yields but less (P < 0.01) loin yield and intramuscular fat content than crossbreds from the Tempo sires. In conclusion, ICM pigs are more efficient, but have less carcass yield than SCM and IF pigs. The intramuscular fat content was lowest for the IF and similar for ICM and SCM pigs. Crossbreds from Tempo sires were heavier and had greater intramuscular fat content, but had less trimmed ham yield as compared with crossbreds from the Top York sires. Immunocastrated pigs can replace SCM pigs for the production of heavy pigs destined for the dry-cured industry. Because of increased carcass weight and the higher intramuscular content, crossbreds from Tempo sires may have an advantage over crossbreds from Top York sires for the dry-cured industry. In experiment 2, a total of 240 pigs were used to compare growth performance and carcass quality traits of immunocastrated males, surgically castrated males, and intact females of crossbreds from Large White × Landrace females and Duroc or Pietrain sires destined to the dry-cured industry. Between the 2 Improvac injections (87 and 137 d of age), ICM and IF pigs had lower average daily gain (ADG) than SCM pigs (P < 0.01). Also, ICM pigs ate less feed than IF and both type of pigs ate less than SCM pigs (2.33, 2.55, and 2.77 kg/d; P < 0.001). Consequently, ICM pigs had better G:F than SCM and IF (P < 0.001). From the second Improvac injection to slaughter (137 to 164 d of age), ICM pigs were more efficient than IF and both were more efficient than SCM pigs (0.346, 0.323, and 0.300 g/g; P < 0.001). The differences in growth performance among genders observed in this period were more pronounced for the Pietrain than for the Duroc crossbreds (P < 0.05 for the interaction). For the entire experimental period (87 to 164 d of age), gender did not affect ADG for Duroc crossbreds but for Pietrain crossbreds ICM and SCM had higher ADG than IF (P < 0.05 for the interaction). The ICM pigs had better feed efficiency (0.406, 0.364, and 0.380; g/g; P < 0.001) and lower carcass yield (76.6, 78.1, and 78.8%; P < 0.001) than SCM or IF. Carcasses from IF were leaner than carcasses from SCM with carcasses from ICM being intermediate (P < 0.01). Ham and loin (P < 0.001) yields were higher for IF than for ICM or SCM pigs. Intramuscular fat content was lower for IF than for SCM pigs with that of ICM pigs being intermediate (3.5 vs. 3.9 and 3.7%; P < 0.05). Cumulatively, crossbreds from Duroc sires had higher ADG (1.167 vs. 0.986 kg/d; P < 0.001) and average daily feed intake (3.07 vs. 2.56 kg/d; P < 0.001) and more intramuscular fat (P < 0.001) but less ham and loin yields (P < 0.01) than crossbreds from Pietrain sires. It is concluded that growth performance was better, but carcass yield lower, for ICM pigs than for SCM and IF. Intramuscular fat content in longissimus dorsi muscle was lower for IF than for SCM pigs with ICM pigs being intermediate. Crossbreds from Duroc sires grew faster and had more intramuscular fat but less ham yield than crossbreds from Pietrain sires. Therefore, ICM pigs should be preferred to SCM pigs, and Duroc crossbreds should be preferred to Pietrain crossbreds to produce carcasses destined to the production of primal cuts for the dry-cured industry. We conclude that immunocastration might be a sound alternative to surgical castration in pigs and that Tempo and Duroc might be better for the production of heavy pigs than Top York and Pietrain. The interactions reported between sex and genetic sire line, suggested that the benefits of immunocastration as an alternative to surgical castration might depend at least part on the sire line used. In any case, immunocastration is a good alternative to surgical castration for the production of carcasses destined to the dry-cured industry.

Generación de modelos físicos personalizados y segmentación de la pared arterial y el trombo intraluminal en imágenes de aneurismas aórticos abdominales

Esta tesis doctoral está encuadrada dentro del marco general de la ingeniería biomédica aplicada al tratamiento de las enfermedades cardiovasculares, enfermedades que provocan alrededor de 1.9 millones (40%) de muertes al año en la Unión Europea. En este contexto surge el proyecto europeo SCATh-Smart Catheterization, cuyo objetivo principal es mejorar los procedimientos de cateterismo aórtico introduciendo nuevas tecnologías de planificación y navegación quirúrgica y minimizando el uso de fluoroscopía. En particular, esta tesis aborda el modelado y diagnóstico de aneurismas aórticos abdominales (AAA) y del trombo intraluminal (TIL), allí donde esté presente, así como la segmentación de estas estructuras en imágenes preoperatorias de RM. Los modelos físicos específicos del paciente, construidos a partir de imágenes médicas preoperatorias, tienen múltiples usos, que van desde la evaluación preoperatoria de estructuras anatómicas a la planificación quirúrgica para el guiado de catéteres. En el diagnóstico y tratamiento de AAA, los modelos físicos son útiles a la hora de evaluar diversas variables biomecánicas y fisiológicas de las estructuras vasculares. Existen múltiples técnicas que requieren de la generación de modelos físicos que representen la anatomía vascular. Una de las principales aplicaciones de los modelos físicos es el análisis de elementos finitos (FE). Las simulaciones de FE para AAA pueden ser específicas para el paciente y permiten modelar estados de estrés complejos, incluyendo los efectos provocados por el TIL. La aplicación de métodos numéricos de análisis tiene como requisito previo la generación de una malla computacional que representa la geometría de interés mediante un conjunto de elementos poliédricos, siendo los hexaédricos los que presentan mejores resultados. En las estructuras vasculares, generar mallas hexaédricas es un proceso especialmente exigente debido a la compleja anatomía 3D ramificada. La mayoría de los AAA se encuentran situados en la bifurcación de la arteria aorta en las arterias iliacas y es necesario modelar de manera fiel dicha bifurcación. En el caso de que la sangre se estanque en el aneurisma provocando un TIL, éste forma una estructura adyacente a la pared aórtica. De este modo, el contorno externo del TIL es el mismo que el contorno interno de la pared, por lo que las mallas resultantes deben reflejar esta particularidad, lo que se denomina como "mallas conformadas". El fin último de este trabajo es modelar las estructuras vasculares de modo que proporcionen nuevas herramientas para un mejor diagnóstico clínico, facilitando medidas de riesgo de rotura de la arteria, presión sistólica o diastólica, etc. Por tanto, el primer objetivo de esta tesis es diseñar un método novedoso y robusto para generar mallas hexaédricas tanto de la pared aórtica como del trombo. Para la identificación de estas estructuras se utilizan imágenes de resonancia magnética (RM). Deben mantenerse sus propiedades de adyacencia utilizando elementos de alta calidad, prestando especial atención al modelado de la bifurcación y a que sean adecuadas para el análisis de FE. El método tiene en cuenta la evolución de la línea central del vaso en el espacio tridimensional y genera la malla directamente a partir de las imágenes segmentadas, sin necesidad de reconstruir superficies triangulares. Con el fin de reducir la intervención del usuario en el proceso de generación de las mallas, es también objetivo de esta tesis desarrollar un método de segmentación semiautomática de las distintas estructuras de interés. Las principales contribuciones de esta tesis doctoral son: 1. El diseño, implementación y evaluación de un algoritmo de generación de mallas hexaédricas conformadas de la pared y el TIL a partir de los contornos segmentados en imágenes de RM. Se ha llevado a cabo una evaluación de calidad que determine su aplicabilidad a métodos de FE. Los resultados demuestran que el algoritmo desarrollado genera mallas conformadas de alta calidad incluso en la región de la bifurcación, que son adecuadas para su uso en métodos de análisis de FE. 2. El diseño, implementación y evaluación de un método de segmentación automático de las estructuras de interés. La luz arterial se segmenta de manera semiautomática utilizando un software disponible a partir de imágenes de RM con contraste. Los resultados de este proceso sirven de inicialización para la segmentación automática de las caras interna y externa de la pared aórtica utilizando métodos basado en modelos de textura y forma a partir de imágenes de RM sin contraste. Los resultados demuestran que el algoritmo desarrollado proporciona segmentaciones fieles de las distintas estructuras de interés. En conclusión, el trabajo realizado en esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas, y pretende servir como aportación para futuros avances en la generación de modelos físicos de geometrías biológicas. ABSTRACT The frame of this PhD Thesis is the biomedical engineering applied to the treatment of cardiovascular diseases, which cause around 1.9 million deaths per year in the European Union and suppose about 40% of deaths per year. In this context appears the European project SCATh-Smart Catheterization. The main objective of this project is creating a platform which improves the navigation of catheters in aortic catheterization minimizing the use of fluoroscopy. In the framework of this project, the specific field of this PhD Thesis is the diagnosis and modeling of abdominal aortic aneurysm (AAAs) and the intraluminal thrombus (ILT) whenever it is present. Patient-specific physical models built from preoperative imaging are becoming increasingly important in the area of minimally invasive surgery. These models can be employed for different purposes, such as the preoperatory evaluation of anatomic structures or the surgical planning for catheter guidance. In the specific case of AAA diagnosis and treatment, physical models are especially useful for evaluating pressures over vascular structures. There are multiple techniques that require the generation of physical models which represent the target anatomy. Finite element (FE) analysis is one the principal applications for physical models. FE simulations for AAA may be patient-specific and allow modeling biomechanical and physiological variables including those produced by ILT, and also the segmentation of those anatomical structures in preoperative MR images. Applying numeric methods requires the generation of a proper computational mesh. These meshes represent the patient anatomy using a set of polyhedral elements, with hexahedral elements providing better results. In the specific case of vascular structures, generating hexahedral meshes is a challenging task due to the complex 3D branching anatomy. Each patient’s aneurysm is unique, characterized by its location and shape, and must be accurately represented for subsequent analyses to be meaningful. Most AAAs are located in the region where the aorta bifurcates into the iliac arteries and it is necessary to model this bifurcation precisely and reliably. If blood stagnates in the aneurysm and forms an ILT, it exists as a conforming structure with the aortic wall, i.e. the ILT’s outer contour is the same as the wall’s inner contour. Therefore, resulting meshes must also be conforming. The main objective of this PhD Thesis is designing a novel and robust method for generating conforming hexahedral meshes for the aortic wall and the thrombus. These meshes are built using largely high-quality elements, especially at the bifurcation, that are suitable for FE analysis of tissue stresses. The method accounts for the evolution of the vessel’s centerline which may develop outside a single plane, and generates the mesh directly from segmented images without the requirement to reconstruct triangular surfaces. In order to reduce the user intervention in the mesh generation process is also a goal of this PhD. Thesis to develop a semiautomatic segmentation method for the structures of interest. The segmentation is performed from magnetic resonance image (MRI) sequences that have tuned to provide high contrast for the arterial tissue against the surrounding soft tissue, so that we determine the required information reliably. The main contributions of this PhD Thesis are: 1. The design, implementation and evaluation of an algorithm for generating hexahedral conforming meshes of the arterial wall and the ILT from the segmented contours. A quality inspection has been applied to the meshes in order to determine their suitability for FE methods. Results show that the developed algorithm generates high quality conforming hexahedral meshes even at the bifurcation region. Thus, these meshes are suitable for FE analysis. 2. The design, implementation and evaluation of a semiautomatic segmentation method for the structures of interest. The lumen is segmented in a semiautomatic way from contrast filled MRI using an available software. The results obtained from this process are used to initialize the automatic segmentation of the internal and external faces of the aortic wall. These segmentations are performed by methods based on texture and shape models from MRI with no contrast. The results show that the algorithm provides faithful segmentations of the structures of interest requiring minimal user intervention. In conclusion, the work undertaken in this PhD. Thesis verifies the investigation hypotheses. It intends to serve as basis for future physical model generation of proper biological anatomies used by numerical methods.

Extracción y recuperación de contenidos basado en vídeo en cirugía de mínima invasión

La introducción de las cirugías de mínima invasión en rutina clínica ha provocado la incorporación de los sistemas de vídeo dentro del quirófano. Así, estas técnicas proporcionan al cirujano imágenes que antes solo podían ser vistas mediante cirugía abierta. Los vídeos obtenidos en las intervenciones son almacenados en repositorios. El uso posterior de estos vídeos se ve limitado generalmente a su reproducción, debido a las dificultades de clasificación y gestión. La información que contienen estos repositorios puede ser explotada, reutilizando el conocimiento obtenido en cirugías similares. En este artículo de investigación se presenta el diseño de un módulo de gestión de conocimiento (MGC) para un repositorio de vídeos de cirugía de mínima invasión (CMI). El objetivo del módulo es gestionar y reutilizar la información contenida en el repositorio de vídeos laparoscópicos, para que puedan ser utilizadas con las experiencias previas en entornos de formación de nuevos cirujanos. Para este fin, se han implementado técnicas de recuperación de imagen y vídeo basadas en sus contenidos visuales (CBIR y CBVR). El MGC permite la recuperación de imágenes/vídeos, proporcionando información sobre la tarea que se está realizando en la escena quirúrgica. Los resultados obtenidos en este trabajo muestran la posibilidad de recuperar vídeos de CMI, a partir del instrumental presente en la escena quirúrgica.