A fully automated system for multispectral ore microscopy

A joint research to develop an efficient method for automated identification and quantification of ores [1], based on Reflected Light Microscopy (RLM) in the VNIR realm (Fig. 1), provides an alternative to modern SEM based equipments used by geometallurgists, but for ~ 1/10th of the price.

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

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

Improved ore processing assessed by digital image análisis of the ores: a key to the sustainable development of the Iberian Pyrite Belt

Mining in the Iberian Pyrite Belt (IPB), the biggest VMS metallogenetic province known in the world to date, has to face a deep crisis in spite of the huge reserves still known after ≈5 000 years of production. This is due to several factors, as the difficult processing of complex Cu-Pb-Zn-Ag- Au ores, the exhaustion of the oxidation zone orebodies (the richest for gold, in gossan), the scarce demand for sulphuric acid in the world market, and harder environmental regulations. Of these factors, only the first and the last mentioned can be addressed by local ore geologists. A reactivation of mining can therefore only be achieved by an improved and more efficient ore processing, under the constraint of strict environmental controls. Digital image analysis of the ores, coupled to reflected light microscopy, provides a quantified and reliable mineralogical and textural characterization of the ores. The automation of the procedure for the first time furnishes the process engineers with real-time information, to improve the process and to preclude or control pollution; it can be applied to metallurgical tailings as well. This is shown by some examples of the IPB.

Aplicación del análisis multi-espectral para el reconocimiento automatizado de menas metálicas

Traditional identification of ore minerals with reflected light microscopy relies heavily on the experience of the observer. Qualified observers have become a rarity, as ore microscopy is often neglected in today’s university training, but since it furnishes necessary and inexpensive information, innovative alternatives are needed, especially for quantification. Many of the diagnostic optical properties of ores defy quantification, but recent developments in electronics and optics allow new insights into the reflectance and colour properties of ores. Preliminary results for the development of an expert system aimed at the automatic identification of ores based on their reflectance properties are presented. The discriminatory capacity of the system is enhanced by near IR reflectance measures, while UV filters tested to date are unreliable. Interaction with image analysis software through a wholly automated microscope, to furnish quantitative and morphological information for geometallurgy, relies on automated identification of the ores based on the measured spectra. This methodology increases enormously the performance of the microscopist; nevertheless supervision by an expert is always needed.

Security devices based on liquid crystals doped with a colour dye

Liquid crystal properties make them useful for the development of security devices in applications of authentication and detection of fakes. Induced orientation of liquid crystal molecules and birefringence are the two main properties used in security devices. Employing liquid crystal and dichroic colorants, we have developed devices that show, with the aid of a polarizer, multiple images on each side of the device. Rubbed polyimide is used as alignment layer on each substrate of the LC cell. By rubbing the polyimide in different directions in each substrate it is possible to create any kind of symbols, drawings or motifs with a greyscale; the more complex the created device is, the more difficult is to fake it. To identify the motifs it is necessary to use polarized light. Depending on whether the polarizer is located in front of the LC cell or behind it, different motifs from one or the other substrate are shown. The effect arises from the dopant colour dye added to the liquid crystal, the induced orientation and the twist structure. In practice, a grazing reflection on a dielectric surface is polarized enough to see the effect. Any LC flat panel display can obviously be used as backlight as well.

Diseño y fabricación de dispositivos basados en cristal líquido polimérico

Esta tesis se centra en el estudio y desarrollo de dispositivos de aplicación basados en cristal líquido polimérico. Las propiedades de los cristales líquidos los hacen interesantes para su uso en el desarrollo de dispositivos de seguridad para autenticación de productos y marcas, y detección y prevención de falsificaciones. Asimismo, pueden ser muy útiles para fabricar dispositivos basados en CLs dispersos en polímero, los cuales tienen a su vez múltiples aplicaciones. La orientación de las moléculas de cristal líquido y la birrefringencia son las dos características principales que afectan a las propiedades de estos dispositivos. Un dispositivo de cristal líquido estándar consiste en un sándwich formado por dos sustratos de vidrio transparente, dotados con electrodo de ITO (Indium Tin Oxide) en su superficie interna, que confinan el cristal líquido en su interior. En la primera parte de esta tesis se describen las características más importantes que describen una célula de cristal líquido. Esta introducción básica en necesaria para la correcta comprensión de los capítulos posteriores en los que se detalla el desarrollo concreto de los dispositivos desarrollados en la investigación llevada a cabo. Por ejemplo, en el caso de los dispositivos de seguridad se han eliminado los sustratos de vidrio (en la última fase de su desarrollo) para conseguir dispositivos flexibles. En la segunda parte de la tesis se incluye la descripción completa de los dispositivos fabricados, así como de los protocolos de fabricación seguidos y diseñados específicamente para ello. También se detallan en esta parte los resultados obtenidos, así como las propiedades ópticas y electroópticas en cada caso, y el/los equipos de caracterización utilizados. Utilizando cristal líquido nemático y colorante dicroico, se han desarrollado dispositivos que contienen múltiples imágenes latentes en cada cara del mismo. Utilizando distintas técnicas de alineamiento se consigue crear cualquier tipo de motivo latente, ya sean símbolos sencillos, figuras, logotipos o incluso imágenes con escala de gris. Cuanto más complejo es el dispositivo, mayor es la dificultad para reproducirlo en una eventual falsificación. Para visualizar e identificar los motivos es necesario emplear luz polarizada, por ejemplo, con la ayuda de un sencillo polarizador lineal. Dependiendo de si el polarizador está colocado delante del dispositivo o detrás del él, se mostrarán las imágenes generadas en una u otra cara. Este efecto es posible gracias al colorante dicroico añadido al CL, a la orientación inducida sobre las moléculas, y a la estructura de twist utilizada en los dispositivos. En realidad, para ver el efecto de los dispositivos no es necesario el uso de un polarizador, basta con el reflejo de una superficie dielétrica (percialmente polarizado), o la luz emitida por la pantalla de dispositivos de consumo comunes como un televisor LCD, un monitor de ordenador o un “smartphone”. Por otro lado, utilizando una mezcla entre un CL nemático polimérico y un CL nemático no polimérico es posible fabricar dispositivos LCPC (Liquid Crystal Polymer Composite) con propiedades electroópticas muy interesantes, que funcionan a tensiones de conmutación bajas. El CL polimérico conforma una estructura de red en el interior del sándwich que mantiene confinado al CL nemático en pequeños microdominios. Se han fabricado dispositivos LCPC con conmutación inversa utilizando tanto alineamiento homogéneo como homeotrópico. Debido a que tanto la estructura de CL polimérico como el CL nemático que rellena los microdominios están orientados en una misma dirección de alineamiento preinducida, la luz dispersada por el dispositivo se encuentra polarizada. La dirección de polarización coincide con la dirección de alineamiento. La innovación aportada por esta investigación: un nuevo dispositivo LCPC inverso de respuesta ultrarápida y polarizada basado en la mezcla de dos CL nemáticos y, un dispositivo de seguridad y autenticación, patentado internacionalmente, basado en CL nemáticos dopados con colorante dicroico. Abstract This thesis is centered on the availability to use polymerizable liquid crystals to develop non-display application LC devices. Liquid crystal properties make them useful for the development of security devices in applications of authentication and detection of fakes, and also to achieve polymer dispersed LC devices to be used for different applications that will be studied here. Induced orientation of liquid crystal molecules and birefringence are the two main properties used in these devices. A standard liquid crystal device is a sandwich consisting of two parallel glass substrates carrying a thin transparent ITO (Indium‐Tin‐Oxide) electrode on their inner surfaces with the liquid crystal in the middle. The first part of this thesis will describe the most important parameters describing a liquid crystal cell. This basis is necessary for the understanding of later chapters where models of the liquid crystal devices will be discussed and developed. In the case of security devices the standard structure of an LC device has been modified by eliminating the glass substrates in order to achieve plastic and flexible devices. The second part of the thesis includes a detailed description of the devices achieved and the manufacturing protocols that have been developed ad-hoc. The optical and electrooptical properties and the characterization equipment are described here as well. Employing nematic liquid crystal and dichroic colorants, we have developed devices that show, with the aid of a polarizer, multiple images on each side of the device. By different alignment techniques it is possible to create any kind of symbols, drawings or motifs with a grayscale; the more complex the created device is, the more difficult is to fake it. To identify the motifs it is necessary to use polarized light. Depending on whether the polarizer is located in front of the LC cell or behind it, different motifs from one or the other substrate are shown. The effect arises from the dopant color dye added to the liquid crystal, the induced orientation and the twist structure. In practice, a grazing reflection on a dielectric surface is polarized enough to see the effect. Any LC flat panel display (LCD TV, computer, mobile phone) can obviously be used as backlight as well. On the other hand, by using a mixture of polymerizable and non-polymerizable nematics liquid crystals it is also possible to achieve LCPC (Liquid Crystal Polymer Composite) devices that show really interesting electrooptical characteristics using low switching voltages. Polymerizable LC creates a hollow structure inside the sandwich glass cell that keep nematics liquid crystal confined creating microdomains. Homogeneous and homeotropic alignments have been used to develop inverse switching mode LCPCs. Due to the double LC oriented structure, the outgoing scattered light from these devices is already polarized. The polarization axis coincides with LC molecules director, the alignment direction promoted. The novelties derived from the investigation presented here, new ultrafast inverse LCPC with polarized outgoing scattered light based on oriented nematic LC mixture, and an internationally patented security and authentication device based on nematics (doped with dichroic dye) oriented polymerizable LC.

Resonant absorption in a plasma step profile

Resonant absorption of p-polarized light shined on a plane-layered plasma with a step profile, is discussed as a function of wavelength (or critical density n,) of the light: for simplicity the incidence angle is assumed small. If n, lies within or above the step, the absorption A is given by Ginzburg’s result modified by strong reflections at the foot and top of the step. The absorption above is total for particular values of nc and U. For n, crossing the top of the density step the absorption is not monotonical: it exhibits a minimum that vanishes for zero radius of curvature U there and zero collision frequency 1’ (A - Iln VI-’). The results are applied to the profile produced by irradiating a solid target with a high-intensity pulse that steepens the plasma by radiation pressure.

Self-consistent resonance absorption with two layer profile steepening

Resonance absorption of p-polarized light, incident at angle 6 on a flowing, stratified plasma, is analyzed; profile steepening within (i) a layer around the turning point, and (ii) a thinner,embedded sublayer at the critical surface is taken into account self-consistently. The entire steepened region is taken as collisionless and isothermal. The structure of the main layer shows a variety of regimes, depending on how the flow crosses a sonic point. The structure of the sublayer is also determined; it is entirely subsonic (with no wave breaking) for a well-defined,broad parameter range. Density changes across both layer and sublayer, and fractional absorption, are given in terms of [(wavelength)2 Xintensity/temperature], and (temperature/mec2). The flow outside the double structure is also analyzed for particular conditions.

A taxonomic tool for identifying needle remains of south-western European Pinus species of the Late Quaternary

This work provides a tool whereby the needle remains of native, south-western European Pinus spp. can be easily identified from species-specific epidermal features. To construct this tool, the needles of P. uncinata, P. sylvestris, P. nigra, P. pinaster, P. pinea and P. halepensis were gathered across the Northern Hemisphere range of each taxon and compared with non-indigenous trees growing in two South Australian Botanic Gardens. Three needles from each of these species were taken from three adult trees growing at three different localities. Light microscopy was used to observe the key epidermal and stomatal features of the needles. To improve interpretation, additional scanning electron microscopy samples were prepared. Epidermal features, including variation in the diameter of the epistomatal chamber aperture (pore), are described. A taxonomic key based on the size, shape and arrangement of the subsidiary cells of the stomatal complexes was constructed. This key enables the identification of pine needle fragments at the species level (except those belonging to the group P. gr. nigra-uncinata). Despite their overlapping range, pore size was helpful in distinguishing between P. nigra and P. uncinata and between three groups of species. Isolated stomata were also observed. Cluster and discriminant analyses of stomatal variables described in earlier studies were performed. Overlap in guard cell variables hampers species-level identification of isolated stomata. Species discrimination is improved if groups of ecological affinity are considered.

Mycorrhizal preferences and fine spatial structure of the epiphytic orchid Epidendrum rhopalostele

• Premise of the study: The presence of compatible fungi is necessary for epiphytic orchid recruitment. Thus, identifying associated mycorrhizal fungi at the population level is essential for orchid conservation. Recruitment patterns may also be conditioned by factors such as seed dispersal range and specific environmental characteristics. • Methods: In a forest plot, all trees with a diameter at breast height >1 cm and all individuals of the epiphytic orchid Epidendrum rhopalostele were identified and mapped. Additionally, one flowering individual of E. rhopalostele per each host tree was randomly selected for root sampling and DNA extraction. • Key results: A total of 239 E. rhopalostele individuals were located in 25 of the 714 potential host trees. Light microscopy of sampled roots showed mycorrhizal fungi in 22 of the 25 sampled orchids. Phylogenetic analysis of ITS1-5.8S-ITS2 sequences yielded two Tulasnella clades. In four cases, plants were found to be associated with both clades. The difference between univariate and bivariate K functions was consistent with the random labeling null model at all spatial scales, indicating that trees hosting clades A and B of Tulasnella are not spatially segregated. The analysis of the inhomogenous K function showed that host trees are not clustered, suggesting no limitations to population-scale dispersal. χ2 analysis of contingency tables showed that E. rhopalostele is more frequent on dead trees than expected. • Conclusions: Epidendrum rhopalostele establishes mycorrhizal associations with at least two different Tulasnella species. The analysis of the distribution patterns of this orchid suggests a microsite preference for dead trees and no seed dispersal limitation.

Volume Haptics and Dendritic Spine Editing

Esta tesis se ha desarrollado en el contexto del proyecto Cajal Blue Brain, una iniciativa europea dedicada al estudio del cerebro. Uno de los objetivos de esta iniciativa es desarrollar nuevos métodos y nuevas tecnologías que simplifiquen el análisis de datos en el campo neurocientífico. El presente trabajo se ha centrado en diseñar herramientas que combinen información proveniente de distintos canales sensoriales con el fin de acelerar la interacción y análisis de imágenes neurocientíficas. En concreto se estudiará la posibilidad de combinar información visual con información háptica. Las espinas dendríticas son pequeñas protuberancias que recubren la superficie dendrítica de muchas neuronas del cerebro. A día de hoy, se cree que tienen un papel clave en la transmisión de señales neuronales. Motivo por el cual, el interés por parte de la comunidad científica por estas estructuras ha ido en aumento a medida que las técnicas de adquisición de imágenes mejoraban hasta alcanzar una calidad suficiente para analizar dichas estructuras. A menudo, los neurocientíficos utilizan técnicas de microscopía con luz para obtener los datos que les permitan analizar estructuras neuronales tales como neuronas, dendritas y espinas dendríticas. A pesar de que estas técnicas ofrezcan ciertas ventajas frente a su equivalente electrónico, las técnicas basadas en luz permiten una menor resolución. En particular, estructuras pequeñas como las espinas dendríticas pueden capturarse de forma incorrecta en las imágenes obtenidas, impidiendo su análisis. En este trabajo, se presenta una nueva técnica, que permite editar imágenes volumétricas, mediante un dispositivo háptico, con el fin de reconstruir de los cuellos de las espinas dendríticas. Con este objetivo, en un primer momento se desarrolló un algoritmo que proporciona retroalimentación háptica en datos volumétricos, completando la información que provine del canal visual. Dicho algoritmo de renderizado háptico permite a los usuarios tocar y percibir una isosuperficie en el volumen de datos. El algoritmo asegura un renderizado robusto y eficiente. Se utiliza un método basado en las técnicas de “marching tetrahedra” para la extracción local de una isosuperficie continua, lineal y definida por intervalos. La robustez deriva tanto de una etapa de detección de colisiones continua de la isosuperficie extraída, como del uso de técnicas eficientes de renderizado basadas en un proxy puntual. El método de “marching tetrahedra” propuesto garantiza que la topología de la isosuperficie extraída coincida con la topología de una isosuperficie equivalente determinada utilizando una interpolación trilineal. Además, con el objetivo de mejorar la coherencia entre la información háptica y la información visual, el algoritmo de renderizado háptico calcula un segundo proxy en la isosuperficie pintada en la pantalla. En este trabajo se demuestra experimentalmente las mejoras en, primero, la etapa de extracción de isosuperficie, segundo, la robustez a la hora de mantener el proxy en la isosuperficie deseada y finalmente la eficiencia del algoritmo. En segundo lugar, a partir del algoritmo de renderizado háptico propuesto, se desarrolló un procedimiento, en cuatro etapas, para la reconstrucción de espinas dendríticas. Este procedimiento, se puede integrar en los cauces de segmentación automática y semiautomática existentes como una etapa de pre-proceso previa. El procedimiento está diseñando para que tanto la navegación como el proceso de edición en sí mismo estén controlados utilizando un dispositivo háptico. Se han diseñado dos experimentos para evaluar esta técnica. El primero evalúa la aportación de la retroalimentación háptica y el segundo se centra en evaluar la idoneidad del uso de un háptico como dispositivo de entrada. En ambos casos, los resultados demuestran que nuestro procedimiento mejora la precisión de la reconstrucción. En este trabajo se describen también dos casos de uso de nuestro procedimiento en el ámbito de la neurociencia: el primero aplicado a neuronas situadas en la corteza cerebral humana y el segundo aplicado a espinas dendríticas situadas a lo largo de neuronas piramidales de la corteza del cerebro de una rata. Por último, presentamos el programa, Neuro Haptic Editor, desarrollado a lo largo de esta tesis junto con los diferentes algoritmos ya mencionados. ABSTRACT This thesis took place within the Cajal Blue Brain project, a European initiative dedicated to the study of the brain. One of the main goals of this project is the development of new methods and technologies simplifying data analysis in neuroscience. This thesis focused on the development of tools combining information originating from distinct sensory channels with the aim of accelerating both the interaction with neuroscience images and their analysis. In concrete terms, the objective is to study the possibility of combining visual information with haptic information. Dendritic spines are thin protrusions that cover the dendritic surface of numerous neurons in the brain and whose function seems to play a key role in neural circuits. The interest of the neuroscience community toward those structures kept increasing as and when acquisition methods improved, eventually to the point that the produced datasets enabled their analysis. Quite often, neuroscientists use light microscopy techniques to produce the dataset that will allow them to analyse neuronal structures such as neurons, dendrites and dendritic spines. While offering some advantages compared to their electronic counterpart, light microscopy techniques achieve lower resolutions. Particularly, small structures such as dendritic spines might suffer from a very low level of fluorescence in the final dataset, preventing further analysis. This thesis introduces a new technique enabling the edition of volumetric datasets in order to recreate dendritic spine necks using a haptic device. In order to fulfil this objective, we first presented an algorithm to provide haptic feedback directly from volumetric datasets, as an aid to regular visualization. The haptic rendering algorithm lets users perceive isosurfaces in volumetric datasets, and it relies on several design features that ensure a robust and efficient rendering. A marching tetrahedra approach enables the dynamic extraction of a piecewise linear continuous isosurface. Robustness is derived using a Continuous Collision Detection step coupled with acknowledged proxy-based rendering methods over the extracted isosurface. The introduced marching tetrahedra approach guarantees that the extracted isosurface will match the topology of an equivalent isosurface computed using trilinear interpolation. The proposed haptic rendering algorithm improves the coherence between haptic and visual cues computing a second proxy on the isosurface displayed on screen. Three experiments demonstrate the improvements on the isosurface extraction stage as well as the robustness and the efficiency of the complete algorithm. We then introduce our four-steps procedure for the complete reconstruction of dendritic spines. Based on our haptic rendering algorithm, this procedure is intended to work as an image processing stage before the automatic segmentation step giving the final representation of the dendritic spines. The procedure is designed to allow both the navigation and the volume image editing to be carried out using a haptic device. We evaluated our procedure through two experiments. The first experiment concerns the benefits of the force feedback and the second checks the suitability of the use of a haptic device as input. In both cases, the results shows that the procedure improves the editing accuracy. We also report two concrete cases where our procedure was employed in the neuroscience field, the first one concerning dendritic spines in the human cortex, the second one referring to an ongoing experiment studying dendritic spines along dendrites of mouse cortical pyramidal neurons. Finally, we present the software program, Neuro Haptic Editor, that was built along the development of the different algorithms implemented during this thesis, and used by neuroscientists to use our procedure.

Selectively filled photonic liquid crystal fibers = Fibras de cristal fotónico selectivamente llenas con cristal líquido

El presente trabajo de Tesis se ha centrado en el diseño, fabricación y caracterización de dispositivos basados en fibras de cristal fotónico infiltrado selectivamente con cristales líquidos, polímeros y una mezcla de ambos. Todos los dispositivos son sintonizables, y su área de aplicación se centra en comunicaciones ópticas y sensores. La manipulación y fusionado de fibras fotónicas, el llenado selectivo de determinadas cavidades y la alineación recíproca de fibras mantenedoras de polarización son tareas muy específicas y delicadas para las que se requieren protocolos muy estrictos. Previo a la fabricación de dispositivos ha sido necesaria por tanto una tarea de sistematización y creación de protocolos de fabricación. Una vez establecidos se ha procedido a la fabricación y caracterización de dispositivos. Los dispositivos fabricados se enumeran a continuación para posteriormente detallar una a una las singularidades de cada uno. • Interferómetros intermodales hechos a partir de una porción de fibra fotónica soldada entre dos fibras estándar, bien monomodo o PANDA (mantenedora de polarización). Estos interferómetros han sido sumergidos o bien llenados selectivamente con cristales líquidos para así sintonizar la señal interferométrica guiada a través de la fibra. • Infiltración de fibras fotónicas con cristales líquidos colestéricos con especial énfasis en la fase azul (blue phase) de estos materiales. Las moléculas de cristal líquido se autoalinean en volumen por lo que la infiltración de fibras fotónicas con estos cristales líquidos es muy interesante, pues es conocida la dificultad de alinear apropiadamente cristales líquidos dentro de cavidades micrométricas de las fibras fotónicas. • Grabación de redes holográficas de forma selectiva en las cavidades de una fibra fotónica. Estas redes holográficas, llamadas POLICRYPS (POlymer-LIquid CRYstal-Polymer Slices), son redes fabricadas a base de franjas de polímero y cristal líquido alineado perpendicularmente a dichas franjas. Las franjas son a su vez perpendiculares al eje de la fibra como lo puede ser una red de Bragg convencional. El cristal líquido, al estar alineado perpendicularmente a dichos franjas y paralelo al eje de la fibra, se puede conmutar aplicando un campo eléctrico externo, modificando así el índice efectivo de la red. Se puede fabricar por lo tanto una red de Bragg sintonizable en fibra, muy útil en comunicaciones ópticas. • Llenado selectivo de fibras fotónicas con polidimetilsiloxano (PDMS), un polímero de tipo silicona. Si se realiza un llenado selectivo asimétrico se puede inducir birrefringencia en la fibra. El índice de refracción del PDMS tiene una fuerte dependencia térmica, por lo que se puede sintonizar la birrefringencia de la fibra. • Estudio teórico de llenado selectivo de fibras fotónicas con PDMS dopado con nanopartículas de plata de 5, 40 y 80 nm. Estas nanopartículas poseen un pico de absorción en torno a los 450 nm debido a resonancias superficiales localizadas de plasmones (LSPR). La resonancia del plasmon tiene una fuerte dependencia con el índice de refracción del material colindante, y al ser éste PDMS, la variación de índice de refracción se ve amplificada, obteniendo una absorción sintonizable. Se ha propuesto la fabricación de polarizadores sintonizables usando esta técnica. Como ya se ha dicho, previamente a la fabricación ha sido necesaria la protocolización de diversos procedimientos de fabricación de alta complejidad, así como protocolizar el proceso de toma de medidas para optimizar los resultados. Los procedimientos que han requerido la formulación de protocolos específicos han sido los siguientes: • Llenado selectivo de cavidades en una fibra fotónica. Dichas fibras tienen generalmente un diámetro externo de 125 μm, y sus cavidades son de entre 5 y 10 μm de diámetro. Se han desarrollado tres técnicas diferentes para el llenado/bloqueado selectivo, pudiéndose combinar varios protocolos para la optimización del proceso. Las técnicas son las siguientes: o Llenado y bloqueado con un prepolímero. Dicho prepolímero, también llamado adhesivo óptico, está inicialmente en estado líquido y posee una cierta viscosidad. Las cavidades de la fibra fotónica que se desea llenar o bloquear poseen un diámetro diferente al resto, por lo que en el proceso de llenado aparecen dos frentes de llenado dependientes de su diámetro. A mayor diámetro, mayor velocidad de llenado. Polimerizando cuando existe dicha diferencia en los frentes se puede cortar por medio, obteniendo así una fibra parcialmente bloqueada. o Colapsamiento de las cavidades de menor diámetro mediante aplicación de calor. El calor producido por un arco voltaico de una soldadora de fibra estándar fusiona el material exterior de la fibra produciendo el colapsamiento de las cavidades de menor diámetro. En esta técnica también es necesaria una diferencia de diámetros en las cavidades de la fibra. o Bloqueo una a una de las cavidades de la fibra fotónica con adhesivo óptico. Este procedimiento es muy laborioso y requiere mucha precisión. Con este sistema se pueden bloquear las cavidades deseadas de una fibra sin importar su diámetro. • Alineación de una fuente de luz linealmente polarizada con una fibra mantenedora de polarización ya sea PANDA o fotónica. Así mismo también se han alineado entre sí fibras mantenedoras de polarización, para que sus ejes rápidos se fusionen paralelos y así el estado de polarización de la luz guiada se mantenga. • Sistematización de toma de medidas para caracterizar los interferómetros modales. Éstos son altamente sensibles a diversas variables por lo que el proceso de medida es complejo. Se deben aislar variables de forma estrictamente controlada. Aunque todos los dispositivos tienen en común el llenado selectivo de cavidades en una fibra fotónica cada dispositivo tiene sus peculiaridades, que van a ser explicadas a continuación. ABSTRACT The present Thesis has been centered in the design, fabrication and characterization of devices based on photonic crystal fibers selectively filled with liquid crystals, polymers and a mixture of both. All devices are tunable and their work field is optical communications and sensing The handling and splicing of photonic crystal fibers, the selective filling of their holes and the aligning of polarization maintaining fibers are very specific and delicate tasks for which very strict protocols are required. Before the fabrication of devices has therefore been necessary task systematization and creation of manufacturing protocols. Once established we have proceeded to the fabrication and characterization of devices. The fabricated devices are listed below and their peculiarities are detailed one by one: • Intermodal interferometers made with a portion of photonic crystal fiber spliced between two optical communication fiber pigtails, either single mode or PANDA (polarization-maintaining) fiber. These interferometers have been submerged or selectively filled with liquid crystals to tune the interferometric guided signal. • Infiltration of photonic fibers with cholesteric liquid crystals with special emphasis on their blue phase (blue phase). The liquid crystal molecules are self-aligning in volume so the infiltration of photonic fibers with these liquid crystals is very interesting. It is notoriously difficult to properly align liquid crystals within micron cavities such as photonic fibers. • Selectively recording of holographic gratings in the holes of photonic crystal fibers. These holographic gratings, called POLICRYPS (POlymer-LIquid CRYstal-Polymes Slices), are based on walls made of polymer and liquid crystal aligned perpendicular to them. These walls are perpendicular to the axis of the fiber as it can be a conventional Bragg grating. The liquid crystal is aligned perpendicular to the walls and parallel to the fiber axis, and can be switched by applying an external electric field and thus change the effective index of the grating. It is thus possible to manufacture a tunable Bragg grating fiber, useful in optical communications. •Asymmetrically selective filling of photonic crystal fibers with a silicone polymer like called polydimethylsiloxane (PDMS) to induce birefringence in the fiber. The refractive index of PDMS has temperature dependence, so that the birefringence of the fiber can be tuned. • Theoretical study of photonic crystal fibers selectively filled with PDMS doped with silver nanoparticles of 5, 40 and 80 nm. These nanoparticles have an absorption peak around 450 nm due to localized surface plasmon resonances (LSPR). Plasmon resonance has a strong dependence on the refractive index of the adjacent material, and as this is PDMS, the refractive index variation is amplified, obtaining a tunable absorption. Fabrication of tunable polarizers using this technique has been proposed. Before starting the fabrication, it has been necessary to optimize several very delicate procedures and different protocols have been designed. The most delicate procedures are as follows: • Selective filling of holes in a photonic crystal fiber. These fibers generally have an outer diameter of 125 μm, and their holes have a diameter around between 5 and 10 μm. It has been developed three different techniques for filling / selective blocking, and they can be combined for process optimization. The techniques are: o Filling and blocked with a prepolymer. This prepolymer also called optical adhesive is initially in liquid state and has a certain viscosity. The holes of the photonic crystal fiber that are desired to be filled or blocked should have a different diameter, so that in the filling process appear two different fronts depending on the hole diameter. The holes with larger diameter are filled faster. Then the adhesive is polymerized when there is such a difference on the front. A partially blocked fiber is obtained cutting between fronts. o Collapsing of holes of smaller diameter by application of heat. The heat produced by an arc of a standard fusion splicer fuses the outer fiber material producing the collapsing of the cavities of smaller diameter. In this technique also you need a difference of diameters in the fiber holes. o Blocking one by one the holes of photonic crystal fiber with optical adhesive. This procedure is very laborious and requires great precision. This system can block unwanted cavities regardless fiber diameter. • Aligning a linearly polarized light source with a polarization-maintaining fiber (either a PANDA fiber as a photonic crystal fiber). It is needed also an aligning between polarization-maintaining fibers, so that their fast axes parallel merge and that is state of polarization of light guided is maintained. • Systematization of taking measurements to characterize the modal interferometers. These are highly sensitive to several variables so the measurement process is very complicated. Variables must be fixed in a very controlled manner. Although all devices have the common characteristic of being selectively filled PCFs with some kind of material, each one has his own peculiarities, which are explained below.

Sola romani: morteros hidráulicos romanos en la Península Ibérica

En esta investigación se han analizado morteros de cal de cronología romana en el interior de la Península Ibérica. Para ello, se seleccionó una serie de muestras procedentes de diversos yacimientos, y de estructuras de carácter industrial. Estas muestras presentan aditivos cerámicos y conglomerantes de cal, como característica principal. Desde un principio el esfuerzo debía de centrarse en los fragmentos cerámicos presentes en los morteros. Para ello se documentaron varios morteros con aditivos cerámicos, a fin de conocer sus características básicas (componentes, distribución, micro-estratigrafía, granulometría, etc.). Por ello, y una vez tomadas las muestras, ésta fueron tratadas y procesadas para desarrollar una primera fase de estudio por medio de macroscopía. Se obtuvieron buenos resultados en cuanto a la caracterización visual de los morteros, localizando y documentando los fragmentos cerámicos. Durante la observación de dichos aditivos se observó que los fragmentos cerámicos tenían unas coronas o anillos de coloración que recorrían el borde, justo al contacto con la matriz de cal. Fueron seleccionados algunos fragmentos en los que eran más visibles dichos anillos. A fin de conocer la posible relación entre algunos yacimientos cercanos y la presencia de dicho anillo cromáticos se desarrolló una microscopía óptica polarizada, realizando láminas delgadas de las muestras y sobre los fragmentos cerámicos más determinantes, en concreto de una serie de enclaves del valle del Henares. Además de caracterizar microscópicamente los morteros, se observó que los anillos no eran un defecto visual ni una alteración física, producida tal vez por la extracción, la fase del corte o por la cocción de la cerámica. Tras analizar varios ejemplares se pudo apreciar que esos anillos eran habituales en todas las muestras y que se presentaban de diferente manera, es decir, que se observaban en granos cerámicos de diferentes características físicas (cochura, tamaño, situación con respecto del conglomerante, etc.). A fin de conocer los aspectos químicos de dicha alteración se seleccionó un grupo de muestras en las que los resultados macroscópicos habían sido muy claros, y en las que la microscopía óptica polarizada había determinado en los bordes, áreas adecuadas para otros análisis. Se realizó un mapeado o mapping de elementos químicos, a fin de saber qué podía estar sucediendo en esa interfaz entre el fragmento cerámico y la matriz de cal. Gracias a los resultados obtenidos se comprobó que existía una acumulación potencial de calcio tanto en el interior de los granos cerámicos como en el exterior, justo en la zona de contacto con el conglomerante, formando manchas que recorrían longitudinalmente el borde. Estos datos fueron muy útiles para llevar a cabo la siguiente fase de estudio, que permitiría conocer puntualmente qué estaba sucediendo químicamente en esa zona de contacto. Finalmente y con el objetivo de describir química y puntualmente este efecto en las adiciones cerámicas, se volvió a seleccionar una serie de muestras, escogidas esta vez en función de los granos cerámicos que cumpliesen unas variables estadísticas. Se eligieron granos con distintos tipos de cocciones, así como granos con tamaños diversos y granos con aditivo ceniciento en la matriz de cal, pensando que podrían ser las variables más útiles de interpretar de existir algún tipo de cambio químico entre la arcilla cocida y la matriz de cal. Tales variables se adaptaron a un sistema estadístico multi-varial y geométrico, con el objetivo de sintetizar los resultados y visualizar de forma óptima los datos en conjunto, como se ha comentado en varias ocasiones en este trabajo. Una vez seleccionados los granos por variables se procedió a realizar un análisis lineal y espectral semi-cuantitativo de SEM-EDX, con el que se caracterizaba químicamente una sección lineal del grano, desde la matriz de arcilla cocida de la cerámica hasta la matriz de cal –del interior al exterior del grano- pasando por el centro de la banda de reacción. Este análisis permitió determinar que se había producido una serie de cambios químicos porcentuales en los granos de cerámica. Dichos cambios se resumen en un incremento global de los porcentajes de calcio en el interior de las bandas de reacción de la cerámica, desde el borde mismo del anillo hasta el exterior. Así también se observaron picos porcentuales en el interfaz del fragmento cerámico con la matriz de cal, lo que confirmaba los resultados obtenidos por medio del mapping. Globalmente en todas las muestras se apreció un hombro en las gráficas de calcio a su paso por la zona de afección del anillo de reacción. Los restantes porcentajes de magnesio, silicio y aluminio se mantienen normales. En esta tesis se ha confirmado que dicho incremento global de calcio se acentúa en las muestras en donde no hay cenizas en la matriz de cal. Los casos correspondientes a estos granos sufren un incremento mayor que en el resto. La segunda variable que sufre un mayor incremento de calcio es la que corresponde a granos con buena cocción de la arcilla. Por lo tanto, parece que la tercera variable, la que corresponde con el tamaño del fragmento cerámico, no es decisiva. Por lo tanto, teniendo en cuenta la prueba visual de los anillos de reacción, y atendiendo a los resultados químicos, podríamos pensar que ese incremento de calcio en la banda de reacción de los fragmentos cerámicos se debió a una absorción de calcio en el interior de la arcilla cocida en la fase inmediatamente previa al fraguado, incluso durante el apagado de la cal. Es en este punto donde estaría la clave del cambio químico que se produce en esta interfaz, el calcio sílice-aluminato del que algunos autores ya han investigado. Esta absorción de calcio en el interior del grano no vendría sola, sino que generaría una costra de cal en el interfaz exterior de la cerámica, la cual ha sido observada químicamente por mapping y mineralógicamente por medio de microscopía óptica de polarización. La consecuencia de estos resultados es, primero, la mejora de nuestro conocimiento general acerca del factor hidráulico en los morteros. Asimismo se aprecia que la incorporación de materiales orgánicos como cenizas, puede alterar los porcentajes de calcio en el interior de los aditivos cerámicos, por lo que habría que sopesar, en trabajos futuros, si este tipo de material es adecuado o no en las mezclas destinadas a la restauración, así como seguir indagando en las propiedades de los morteros con la incorporación de aditivos orgánicos. Desde el punto de vista de la catalogación de los suelos industriales hidráulicos de época romana, además de mejorar la documentación incorporando micro-estratigrafías y granulometrías, la investigación de este material histórico constructivo mejora en cuanto a que se incorporan ensayos sencillos, que facilitan incluso la peritación de un estado de conservación por medio de una lupa binocular. Arqueológicamente hablando, es muy interesante correlacionar fábricas diferentes de estructuras situadas o bien en un mismo yacimiento, o bien en una misma área regional. Los estudios de caracterización y micro-estratigrafía no sólo aportan datos nuevos de cara a la restauración de morteros, sino que crean la posibilidad de generar patrones constructivos que sirvan de fósiles-guía para datar relativamente a unas estructuras o a otras. En lo referido a los resultados obtenidos en los diferentes complejos arqueológicos se ha observado una diferencia entre los morteros destinados a piletas y cubetas con respecto a los suelos industriales de uso indeterminado. La muestra correspondiente al yacimiento de Las Arenas no dispone de ninguna micro-estratigrafía, como sí por el contrario en las muestras obtenidas en Rotonda de Mejorada, Val de la Viña y La Magdalena. En estos enclaves las estructuras presentan grandes similitudes, con diferentes niveles constructivos empleando morteros de cal con áridos y gravas en las capas interiores, y áridos con adiciones cerámicas en las exteriores. En lo relativo a la granulometría las adiciones cerámicas de las muestras de Val de la Viña y La Magdalena presentan varias coincidencias en cuanto al tamaño de los granos y la distribución. Asimismo, de las muestras tomadas en La Magdalena, existe una gran diferencia entre las muestras MG1, MG2, MG3 y MG4 con respecto a las muestras MG5 y MG6, correspondientes éstas últimas a un mortero con fragmentos cerámicos de gran tamaño. Las estructuras EMG1 y EMG2, correspondientes a una cubeta y una pileta de La Magdalena, guardan similitud en lo referido a la micro-estratigrafía y a la granulometría. Se ha determinado que su función, así como su fabricación, debieron estar vinculadas a un mismo contexto cronocultural. Química y mineralógicamente, las muestras presentan características iguales, con presencia de un conglomerante de cal con áridos y aditivos cerámicos de diferentes cochuras. Destaca la muestra de Las Arenas, con un tamaño de los fragmentos cerámicos muy superior al resto, seguido de la estructura EMG3 de La Magdalena. Las muestras restantes de éste enclave, junto con las muestras recogidas en Val de la Viña y Rotonda de Mejorada presentan condiciones similares. En conclusión, los datos revelan que existían diferentes fábricas destinadas a distintas finalidades, y que las estructuras industriales empleaban aditivos cerámicos para la manipulación de productos con líquidos, de distintas densidades pero que requerían de cierto grado de hidraulicidad. ABSTRACT Lime Roman mortars from the Iberian Peninsula has been analyzed in this reesearch. A group of samples were selected from some sites and all the samples come from industrial structures. All this samples show ceramic additives. From the start, the effort was centered in the pieces of pottery that were found in the mortars. The samples were treated and processed to develop a first phase of the research using macroscopy. With this technique, great results were achieved in the characterization of mortars, the microstratigraphy and the location of the ceramic pieces. While observing these pieces, it was seen that the fragments of pottery had a ring bordering the piece. The pieces with the bigger and more vivid rings were chosen and they were analyzed by a polarized light microscope. The mortars were characterized microscopically and it also showed that the rings were not a physical alteration or a visual defect. After some more tests, the rings were a chemical change associated with the hydraulicity of the mortar. The best samples were selected and mappings of their chemical elements were performed in order to know what could be happening in the interface between the ceramic matrix fragment and lime. With the results obtained it was found that there was a potential; both calcium accumulation within the ceramic grains and outside, just in the area of contact with the binder, forming spots longitudinally along the edge. These data were very useful for carrying out the next phase of study, which would meet promptly what was happening chemically in the area of contact. Another group of samples were taken, and this time focused on ceramic grains that met a statistical variables. Grains were chosen with two types of cooking as well as grains with different sizes and grains with ash additive in the matrix of lime, thinking that might be the most logical to be some sort of chemical change between the baked clay and lime array variables . Such variables were adapted to a multi-varial and geometric statistical system in order to synthesize the results and optimally display the data together, as mentioned several times in this work. After selecting the variables grains proceeded to perform a linear and spectral analysis SEM-EDX. This analysis led to determine that the chemical changes were graduals. These changes are summarized in an increase in the percentages of calcium inside the reaction rim of ceramics, from the edge to the outer ring. So percentage increasing is also observed at the interface of the ceramic matrix fragment with lime, confirming the results obtained by the mapping. Overall in all samples can be seen a shoulder in graphic calcium through the area of the ring reaction condition. The remaining percentages of magnesium, silicon and aluminum are usual. We have promptly confirmed that the increase of calcium is accentuated in samples where there is no ash and lime matrix. Cases for these grains suffer a greater increase than the rest. The second variable suffering more calcium is increased corresponding to good cooking grains with clay. Therefore, it appears that the variable size of the fragment is not critical. Therefore, considering the visual tests to the rings and their response to chemical results, we might think that increasing calcium inside the ceramic fragments was due to an injection of calcium inside clay in the run-up to the setting phase. It is at this point that would be the key to the chemical change that occurs at this interface, silica-calcium aluminate some authors have already investigated. This injection of calcium into the grain does not come alone, but generate a lime crust on the outside interface of ceramics, which we tested for mapping is real in our samples. The consequence of these results is the improvement of our understanding of historical hydraulic factor in building materials, such as mortar. For example, knowing that the incorporation of organic materials such as ash powder, may be detrimental to the injection of calcium inside the ceramic additives. Archaeologically speaking, it's very interesting to correlate different factories or structures located on a single site, or in the same regional area. Characterization studies and microstratigraphy not only provide new information to help restore mortars, but create the possibility of generating constructive patterns that serve as guide fossils to determinate the age of the structures. With regard to the results obtained in different archaeological sites it has seen a difference between mortars of pools or sinks with respect to industrial floors of undetermined use. The sample of the site of Las Arenas does not have any micro-stratigraphy, as if instead in the samples obtained in Rotonda de Mejorada, Val de la Viña and La Magdalena sites. In these settlements the structures are really similar, with different construction levels using lime mortars with aggregates and gravel in the inner layers, and ceramic aggregates as external additions. With regard to the grain size of the ceramic additions Val de la Viña and La Magdalena samples has several coincidences about the size of grains and distribution. Also, samples taken at La Magdalena, there is a difference between the MG1, MG2, MG3 and MG4 samples and the MG5 and MG6 samples, so the last corresponding to a mortar samples with larger ceramic fragments. The EMG1 and EMG2 structures, corresponding to a bucket and a pool of La Magdalena settlement, have similarities with regard to micro-stratigraphy and grain size. It has been determined that the function and manufacturing must be linked with a same chronocultural context.