Red Neuronal Artificial para la Interpretación de Resistencias a la Terapia Antirretroviral

La aparición de la terapia antirretroviral supuso un punto de inflexión en el tratamiento de las personas infectadas por el VIH. La selección de los fármacos es vital para poder controlar la enfermedad y asegurar la supervivencia de los pacientes. Son muchos los factores que hay que tener en consideración a la hora de efectuar dicha elección. Especialmente relevante es la posible resistencia del virus a uno o varios fármacos, resistencia generada por el propio tratamiento administrado y que anulará el efecto de las drogas. Esto nos da una idea de la importancia de disponer de técnicas de análisis e interpretación de las resistencias que cada paciente ha desarrollado. Este trabajo describe las diferentes técnicas que están siendo utilizadas para abordar el problema y presenta el desarrollo de un algoritmo para la detección de resistencias, aplicado al análisis de resistencias a un fármaco inhibidor de la proteasa.

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.

Terapia por láser de baja potencia: consideraciones óptico-físicas y biológicas determinantes en su aplicación clínica.

Objetivos : Analizar la distribución de energía en un tejido cuando se emplea terapia por láser de baja potencia y estudiar las especificaciones mínimas de equipos de terapia láser para estimar la dosis. Material y métodos: Se ha empleado el método de Monte Carlo para obtener la distribución de energía absorbida por la piel para dos tipos de láser y la teoría de la difusión para estimar la longitud de penetración y el recorrido libre medio. Se ha estudiado la variación de esa distribución en función de la raza (caucásico, asiático, afroamericano) y para dos localizaciones anatómicas distintas. Se ha analizado la información facilitada por diversos fabricantes de equipos comerciales para determinar si es necesario adaptar la dosimetría recomendada. Resultados: La radiación láser infrarroja (810nm) se absorbe mayoritariamente en un espesor de piel de 1,9±0,2mm para caucásicos, entre 1,73±0,08mm (volar del antebrazo) y 1,80±0,11mm (palma) para asiáticos y entre 1,25±0,09mm (volar del antebrazo) y 1,65±0,2mm (palma) para afroamericanos. El recorrido libre medio de la luz siempre es menor que 0,69±0,09mm. Para los equipos comerciales analizados la única característica geométrica del haz láser que se menciona es la superficie que oscila entre 0,08 y 1cm2, pero no se especifica cómo es la distribución de energía, la divergencia del haz, forma de la sección transversal, etc. Conclusiones:Dependiendo del equipo de terapia por láser de baja potencia utilizado, el tipo de paciente y la zona a tratar, el clínico debe adaptar las dosis recomendadas. Abstract: Objectives: To analyze the distribution of energy deposited in a tissue when this is irradiated with a low power laser and to study the minimum characteristics that manufacturers of low power laser therapy equipments should include to estimate the dosage. Material and methods: Monte Carlo simulation was performed to determine the absorption location of the laser energy. The diffusion theory was used to estimate penetration depth and mean free path. Variation of this distribution was studied based on three different skin types (Caucasians, Asians and Afroamericans) and for two different anatomic locations: palm and volar forearm. Information given by several manufactures of low power laser therapy equipments has been analyzed. Results: Infrared (810 nm) laser radiation is mainly absorbed in a skin layer of thickness 1.9±0.2mm for Caucasians, from 1.73±0.08mm (volar forearm) to 1.80±0.11mm (palm) for Asians, and from 1.25±0.09mm (volar forearm) to 1.65±0.2mm (palm) for Afroamericans. The light mean free path is lower than 0.69±0.09mm for all cases. The laser beam characteristics (beam shape, energy distribution on a transversal section, divergence, incidence angle,etc.) are not usually specified by the manufacturers. Only beam size (ranging from 0.08 to 1cm2) is given in some cases. Discussion and conclusions: Depending on the low power laser therapy equipment, on the patient and on the anatomic area to be treated, the staff should adapt the recommended dosage for each individual case.

Monte-Carlo dosimetry on a realistic cell monolayer geometry exposed to alpha particles

The energy and specific energy absorbed in the main cell compartments (nucleus and cytoplasm) in typical radiobiology experiments are usually estimated by calculations as they are not accessible for a direct measurement. In most of the work, the cell geometry is modelled using the combination of simple mathematical volumes. We propose a method based on high resolution confocal imaging and ion beam analysis (IBA) in order to import realistic cell nuclei geometries in Monte-Carlo simulations and thus take into account the variety of different geometries encountered in a typical cell population. Seventy-six cell nuclei have been imaged using confocal microscopy and their chemical composition has been measured using IBA. A cellular phantom was created from these data using the ImageJ image analysis software and imported in the Geant4 Monte-Carlo simulation toolkit. Total energy and specific energy distributions in the 76 cell nuclei have been calculated for two types of irradiation protocols: a 3 MeV alpha particle microbeam used for targeted irradiation and a 239Pu alpha source used for large angle random irradiation. Qualitative images of the energy deposited along the particle tracks have been produced and show good agreement with images of DNA double strand break signalling proteins obtained experimentally. The methodology presented in this paper provides microdosimetric quantities calculated from realistic cellular volumes. It is based on open-source oriented software that is publicly available.

Caracterización de nanopartículas magnéticas y de oro para posibles aplicaciones biomédicas en diagnóstico y terapia

Los nanomateriales han adquirido recientemente un gran interés debido a la gran variedad de aplicaciones que pueden llegar a tener en el ámbito de la biomedicina. Este trabajo recoge las posibilidades tanto diagnósticas como terapéuticas que presentan dos modalidades de nanomateriales: nanopartículas de óxido de hierro y nanopartículas de oro. Para ello, en una primera aproximación se ha llevado a cabo la caracterización de las nanopartículas desde el punto de vista de la biocompatibilidad asociada a su tamaño y al tiempo de contacto o circulación en células y tejidos, ensayada tanto in vitro como in vivo así como la cinética de acumulación de dichas nanopartículas en el organismo vivo. Posteriormente se ha realizado la biofuncionalización de los dos tipos de nanopartículas para reconocer dianas moleculares específicas y poder ser utilizadas en el futuro en dos aplicaciones biomédicas diferentes: diagnóstico de enfermedad de Alzheimer mediante imagen de resonancia magnética y destrucción selectiva de células tumorales mediante hipertermia óptica. ABSTRACT Nanomaterials have recently gained a great interest due to the variety of applications that can have in the field of biomedicine. This work covers both diagnostic and therapeutic possibilities that present two types of nanomaterials: iron oxide nanoparticles and gold nanoparticles. Therefore, in a first approximation it has performed the characterizing of nanoparticles from the standpoint of biocompatibility associated with their size and time of contact or movement in cells and tissues, tested both in vitro and in vivo as well as the kinetics of accumulation of the nanoparticles into the living organism. Subsequently the biofunctionalization of two types of nanoparticles was made to recognize specific molecular targets and can be used in the future in two different biomedical applications: diagnosis of Alzheimer's disease by magnetic resonance imaging and selective destruction of tumor cells by optical hyperthermia.

Bases para un diseño metodológico de estimulación binaural como terapia acústica en neurología

La medicina y la ingeniería del siglo XXI han dado como fruto numerosos avances para la sociedad aunque en la mayoría de los casos los tratamientos suelen ser costosos e invasivos. La educación que recibe la sociedad sobre la salud es escasa, ya que sólo vamos al médico cuando realmente estamos enfermos. Este trabajo presenta nuestra apuesta por las terapias complementarias, para el desarrollo de una metodología terapéutica no invasiva y con un costo muy bajo. La finalidad de esta Tesis, que se enmarca en un equipo multidisciplinar, fruto de la estrecha colaboración en el que participan psicopedagogos, ingenieros y médicos, es perfilar una metodología que luego pueda ser aplicable a patologías neurológicas. Aquí, dejamos sentadas las bases. Faltarán nuevos investigadores que continúen este camino para tener una base de datos lo suficientemente extensa de registros de sujetos que hayan sido sometidos a terapia binaural, para poder sacar unas conclusiones sólidas. La aportación de esta Tesis deja cubierta la aplicación, selección, procesado de señal y desarrollo de algoritmos, test cognitivos indicados para el caso específico que nos ocupa, cálculo de incertidumbre del sistema utilizado para la aplicación del estímulo y desarrollo de un test psicoacústico específico. EL empleo del sonido en medicina como es la musicoterapia o sonoterapia ha experimentado una gran difusión en los últimos años, más de 100.000 nuevas citas bibliográficas han aparecido con respecto al año anterior. Sin embargo, son escasísimas las que hacen referencia a las características físico acústicas del sonido empleado, tan sólo hemos encontrado una par de ellas que correlacionan las características físicas del sonido con el tipo de respuesta terapéutica. No encontramos citas bibliográficas específicas que planteen un modelo experimental científico capaz de reproducir las mismas respuestas ante los mismos parámetros y estímulos. En esta Tesis proponemos el uso de estimulación sonora binaural, que consiste en la utilización de dos tonos puros idénticos pero ligeramente diferentes en frecuencia que se presentan de manera separada cada uno en un oído, como consecuencia, la persona que recibe la estimulación percibe un tercer tono, llamado tono binaural, formado por la diferencia de frecuencia de ambos variando su amplitud. Existen estudios que sugieren que dichas frecuencias binaurales pueden modificar los patrones eléctricos de la actividad cerebral y los niveles de arousal, conociéndose en la literatura bajo el nombre de “entrainment”. Tras la revisión bibliográfica del estado del arte, podemos concluir que es necesario el desarrollo de estudios doble ciego bien diseñados, con el objetivo de establecer una base sólida sobre los efectos de este tipo de estimulación, ya que la mayoría de los beneficios documentados se refieren a muestras muy pequeñas y con poco rigor científico, siendo los resultados positivos obtenidos debidos al efecto placebo. La tecnología binaural es barata siendo cualquier avance en esta dirección de interés público. El objetivo concreto de la investigación es estudiar el potencial de las ondas binaurales en un área en particular: tareas que requieren atención y concentración. Se busca obtener cualquier cambio en las ondas cerebrales que se puedan correlar con la mejoras. A la vista de los resultados de estas investigaciones se intentará aplicar esta metodología en neuropatologías que presenten alguna deficiencia en el área de atención como es el Trastorno de espectro Autista. En esta Tesis presentamos los resultados de dos estudios independientes, el primero para sentar las bases del método (tiempos, diseño de estimulaciones, procesado) en una muestra de 78 adultos sanos, el segundo a partir de los resultados obtenidos en el primero, afinando la metodología y para un grupo de 20 niños entre 8 y 12 años, los resultados del segundo estudio sirven para justificar su aplicación en niños con TEA que presenten déficit de atención. ABSTRACT Medicine and engineering in the 21st century have resulted in advances for society but in most cases the treatments are often costly and invasive. The health education society receive is scarce, since only go to the doctor when we are really sick. With this work I present my commitment to complementary therapies, my little grain of sand in the development of a noninvasive therapeutic approach and very low cost, well and can be used in a preventive manner resulting in a society with less sick. The purpose of this thesis is to outline a methodology that can then be applied to neurological diseases, here we lay the groundwork. New researchers are needed to continue this path for a sufficiently extensive records database of subjects who have undergone binaural therapy, and so to draw firm conclusions. The contribution of this thesis includes: the application, selection, signal processing and algorithm development, indicated cognitive tests for the specific case at hand, calculation of system uncertainty of the system and development of a specific psychoacoustic test. The use of sound in medicine, such as music therapy or sound therapy has experienced a great diffusion in recent years, more than 100,000 new citations have appeared over the previous year but very few are those referring to acoustic physical characteristics of sound employee, we have only found a couple of them that physical sound characteristics are correlated with the therapeutic response. We found no specific citations posing a scientific experimental model capable of reproducing the same answers to the same parameters and stimuli. In this thesis we propose the use of binaural sound stimulation which involves the use of two identical but slightly different in frequency pure tones presented separately each in one ear, as a result the subject perceives a third tone, called binaural tone, formed by the difference in frequency with amplitude variations Studies suggest that these binaural frequencies can modify the electrical patterns of brain activity and arousal levels, being known in the literature under the name of “entrainment”. After the literature review of the state of the art, we conclude, it is necessary to develop well-designed double-blind studies, in order to establish a solid foundation on the effects of such stimulation, since most of the documented benefits relate to very small samples and unscientific may be obtained positive results due to the placebo effect. The binaural technology is cheap being any progress in this direction in the public interest. The specific objective of the research is to study the potential of binaural waves in a particular area: tasks requiring attention and concentration also we want to get any change in brain waves that can correlate with improvements. In view of the results of this research we seek to apply this methodology in neuropathology presenting any deficiency in the area of attention such as Autism Spectrum Disorder. In this thesis we present the results of two independent studies, the first to lay the foundation of the method (times, stimulation design, processing) in a sample of 78 healthy adults, the second from the results obtained in the first, refine the methodology for a group of 20 children between 8 and 12 years, the results of the second study used to justify its use in children with ASD that present attention deficit.

Sistemas de ayuda al diagnóstico y a la terapia funcional en enfermedades neurodegenerativas

El incremento de la esperanza de vida en los países desarrollados (más de 80 años en 2013), está suponiendo un crecimiento considerable en la incidencia y prevalencia de enfermedades discapacitantes, que si bien pueden aparecer a edades tempranas, son más frecuentes en la tercera edad, o en sus inmediaciones. Enfermedades neuro-degenerativas que suponen un gran hándicap funcional, pues algunas de ellas están asociadas a movimientos involuntarios de determinadas partes del cuerpo, sobre todo de las extremidades. Tareas cotidianas como la ingesta de alimento, vestirse, escribir, interactuar con el ordenador, etc… pueden llegar a ser grandes retos para las personas que las padecen. El diagnóstico precoz y certero resulta fundamental para la prescripción de la terapia o tratamiento óptimo. Teniendo en cuenta incluso que en muchos casos, por desgracia la mayoría, sólo se puede actuar para mitigar los síntomas, y no para sanarlos, al menos de momento. Aun así, acertar de manera temprana en el diagnóstico supone proporcionar al enfermo una mayor calidad de vida durante mucho más tiempo, por lo cual el esfuerzo merece, y mucho, la pena. Los enfermos de Párkinson y de temblor esencial suponen un porcentaje importante de la casuística clínica en los trastornos del movimiento que impiden llevar una vida normal, que producen una discapacidad física y una no menos importante exclusión social. Las vías de tratamiento son dispares de ahí que sea crítico acertar en el diagnóstico lo antes posible. Hasta la actualidad, los profesionales y expertos en medicina, utilizan unas escalas cualitativas para diferenciar la patología y su grado de afectación. Dichas escalas también se utilizan para efectuar un seguimiento clínico y registrar la historia del paciente. En esta tesis se propone una serie de métodos de análisis y de identificación/clasificación de los tipos de temblor asociados a la enfermedad de Párkinson y el temblor esencial. Empleando técnicas de inteligencia artificial basadas en clasificadores inteligentes: redes neuronales (MLP y LVQ) y máquinas de soporte vectorial (SVM), a partir del desarrollo e implantación de un sistema para la medida y análisis objetiva del temblor: DIMETER. Dicho sistema además de ser una herramienta eficaz para la ayuda al diagnóstico, presenta también las capacidades necesarias para proporcionar un seguimiento riguroso y fiable de la evolución de cada paciente. ABSTRACT The increase in life expectancy in developed countries in more than 80 years (data belongs to 2013), is assuming considerable growth in the incidence and prevalence of disabling diseases. Although they may appear at an early age, they are more common in the elderly ages or in its vicinity. Nuero-degenerative diseases that are a major functional handicap, as some of them are associated with involuntary movements of certain body parts, especially of the limbs. Everyday tasks such as food intake, dressing, writing, interact with the computer, etc ... can become large debris for people who suffer. Early and accurate diagnosis is crucial for prescribing optimal therapy or treatment. Even taking into account that in many cases, unfortunately the majority, can only act to mitigate the symptoms, not to cure them, at least for now. Nevertheless, early diagnosis may provide the patient a better quality of life for much longer time, so the effort is worth, and much, grief. Sufferers of Parkinson's and essential tremor represent a significant percentage of clinical casuistry in movement disorders that prevent a normal life, leading to physical disability and not least social exclusion. There are various treatment methods, which makes it necessary the immediate diagnosis. Up to date, professionals and medical experts, use a qualitative scale to differentiate the disease and degree of involvement. Therefore, those scales are used in clinical follow-up. In this thesis, several methods of analysis and identification / classification of types of tremor associated with Parkinson's disease and essential tremor are proposed. Using artificial intelligence techniques based on intelligent classification: neural networks (MLP and LVQ) and support vector machines (SVM), starting from the development and implementation of a system for measuring and objective analysis of the tremor: DIMETER. This system besides being an effective tool to aid diagnosis, it also has the necessary capabilities to provide a rigorous and reliable monitoring of the evolution of each patient.