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.

QuantiDOPA: A Quantification Software for Dopaminergic Neurotransmission SPECT

Quantification of neurotransmission Single-Photon Emission Computed Tomography (SPECT) studies of the dopaminergic system can be used to track, stage and facilitate early diagnosis of the disease. The aim of this study was to implement QuantiDOPA, a semi-automatic quantification software of application in clinical routine to reconstruct and quantify neurotransmission SPECT studies using radioligands which bind the dopamine transporter (DAT). To this end, a workflow oriented framework for the biomedical imaging (GIMIAS) was employed. QuantiDOPA allows the user to perform a semiautomatic quantification of striatal uptake by following three stages: reconstruction, normalization and quantification. QuantiDOPA is a useful tool for semi-automatic quantification inDAT SPECT imaging and it has revealed simple and flexible

Technical developments for computed tomography on the CENBG nanobeam line

The use of ion microbeams as probes for computedtomography has proven to be a powerful tool for the three-dimensional characterization of specimens a few tens of micrometers in size. Compared to other types of probes, the main advantage is that quantitative information about mass density and composition can be obtained directly, using specific reconstruction codes. At the Centre d’Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan (CENBG), this technique was initially developed for applications in cellular biology. However, the observation of the cell ultrastructure requires a sub-micron resolution. The construction of the nanobeamline at the Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d’Ions en Region Aquitaine (AIFIRA) irradiation facility has opened new perspectives for such applications. The implementation of computedtomography on the nanobeamline of CENBG has required a careful design of the analysis chamber, especially microscopes for precise sample visualization, and detectors for scanning transmission ion microscopy (STIM) and for particle induced X-ray emission (PIXE). The sample can be precisely positioned in the three directions X, Y, Z and a stepper motor coupled to a goniometer ensures the rotational motion. First images of 3D tomography were obtained on a reference sample containing microspheres of certified diameter, showing the good stability of the beam and the sample stage, and the precision of the motion.

Automatic quantification of matrix cracking and fiber rotation by X-ray computed tomography in shear-deformed carbon fiber-reinforced laminates

The deformation and damage mechanisms of carbon fiber-reinforced epoxy laminates deformed in shear were studied by means of X-ray computed tomography. In particular, the evolution of matrix cracking, interply delamination and fiber rotation was ascertained as a function of the applied strain. In order to provide quantitative information, an algorithm was developed to automatically determine the crack density and the fiber orientation from the tomograms. The investigation provided new insights about the complex interaction between the different damage mechanisms (i.e. matrix cracking and interply delamination) as a function of the applied strain, ply thickness and ply location within the laminate as well as quantitative data about the evolution of matrix cracking and fiber rotation during deformation

Geometrical characterization of undisturbed soil samples using X-ray computed tomography image analysis. Effect of soil management on soil structure

El estudio de la estructura del suelo es de vital importancia en diferentes campos de la ciencia y la tecnología. La estructura del suelo controla procesos físicos y biológicos importantes en los sistemas suelo-planta-microorganismos. Estos procesos están dominados por la geometría de la estructura del suelo, y una caracterización cuantitativa de la heterogeneidad de la geometría del espacio poroso es beneficiosa para la predicción de propiedades físicas del suelo. La tecnología de la tomografía computerizada de rayos-X (CT) nos permite obtener imágenes digitales tridimensionales del interior de una muestra de suelo, proporcionando información de la geometría de los poros del suelo y permitiendo el estudio de los poros sin destruir las muestras. Las técnicas de la geometría fractal y de la morfología matemática se han propuesto como una poderosa herramienta para analizar y cuantificar características geométricas. Las dimensiones fractales del espacio poroso, de la interfaz poro-sólido y de la distribución de tamaños de poros son indicadores de la complejidad de la estructura del suelo. Los funcionales de Minkowski y las funciones morfológicas proporcionan medios para medir características geométricas fundamentales de los objetos geométricos tridimensionales. Esto es, volumen, superficie, curvatura media de la superficie y conectividad. Las características del suelo como la distribución de tamaños de poros, el volumen del espacio poroso o la superficie poro-solido pueden ser alteradas por diferentes practicas de manejo de suelo. En este trabajo analizamos imágenes tomográficas de muestras de suelo de dos zonas cercanas con practicas de manejo diferentes. Obtenemos un conjunto de medidas geométricas, para evaluar y cuantificar posibles diferencias que el laboreo pueda haber causado en el suelo. ABSTRACT The study of soil structure is of vital importance in different fields of science and technology. Soil structure controls important physical and biological processes in soil-plant-microbial systems. Those processes are dominated by the geometry of soil pore structure, and a quantitative characterization of the spatial heterogeneity of the pore space geometry is beneficial for prediction of soil physical properties. The technology of X-ray computed tomography (CT) allows us to obtain three-dimensional digital images of the inside of a soil sample providing information on soil pore geometry and enabling the study of the pores without disturbing the samples. Fractal geometry and mathematical morphological techniques have been proposed as powerful tools to analyze and quantify geometrical features. Fractal dimensions of pore space, pore-solid interface and pore size distribution are indicators of soil structure complexity. Minkowski functionals and morphological functions provide means to measure fundamental geometrical features of three-dimensional geometrical objects, that is, volume, boundary surface, mean boundary surface curvature, and connectivity. Soil features such as pore-size distribution, pore space volume or pore-solid surface can be altered by different soil management practices. In this work we analyze CT images of soil samples from two nearby areas with contrasting management practices. We performed a set of geometrical measures, some of them from mathematical morphology, to assess and quantify any possible difference that tillage may have caused on the soil.

Pseudo-random single photon counting for space-borne atmospheric sensing applications

The ability to accurately observe the Earth's carbon cycles from space gives scientists an important tool to analyze climate change. Current space-borne Integrated-Path Differential Absorption (IPDA) Iidar concepts have the potential to meet this need. They are mainly based on the pulsed time-offlight principle, in which two high energy pulses of different wavelengths interrogate the atmosphere for its transmission properties and are backscattered by the ground. In this paper, feasibility study results of a Pseudo-Random Single Photon Counting (PRSPC) IPDA lidar are reported. The proposed approach replaces the high energy pulsed source (e.g. a solidstate laser), with a semiconductor laser in CW operation with a similar average power of a few Watts, benefiting from better efficiency and reliability. The auto-correlation property of Pseudo-Random Binary Sequence (PRBS) and temporal shifting of the codes can be utilized to transmit both wavelengths simultaneously, avoiding the beam misalignment problem experienced by pulsed techniques. The envelope signal to noise ratio has been analyzed, and various system parameters have been selected. By restricting the telescopes field-of-view, the dominant noise source of ambient light can be suppressed, and in addition with a low noise single photon counting detector, a retrieval precision of 1.5 ppm over 50 km along-track averaging could be attained. We also describe preliminary experimental results involving a negative feedback Indium Gallium Arsenide (InGaAs) single photon avalanche photodiode and a low power Distributed Feedback laser diode modulated with PRBS driven acoustic optical modulator. The results demonstrate that higher detector saturation count rates will be needed for use in future spacebourne missions but measurement linearity and precision should meet the stringent requirements set out by future Earthobserving missions.

Aspectos metodológicos para la evaluación de sistemas de tomografía por emisión de positrones empleando técnicas Montecarlo, protocolos estandarizados y diferentes trazadores

Esta tesis analiza los elementos que afectan a la evaluación del rendimiento dentro de la técnica de radiodiagnóstico mediante tomografía por emisión de positrones (PET), centrándose en escáneres preclínicos. Se exploran las posibilidades de los protocolos estándar de evaluación sobre los siguientes aspectos: su uso como herramienta para validar programas de simulación Montecarlo, como método para la comparación de escáneres y su validez en el estudio del efecto sobre la calidad de imagen al utilizar radioisótopos alternativos. Inicialmente se estudian los métodos de evaluación orientados a la validación de simulaciones PET, para ello se presenta el programa GAMOS como entorno de simulación y se muestran los resultados de su validación basada en el estándar NEMA NU 4-2008 para escáneres preclínicos. Esta validación se ha realizado mediante la comparación de los resultados simulados frente a adquisiciones reales en el equipo ClearPET, describiendo la metodología de evaluación y selección de los parámetros NEMA. En este apartado también se mencionan las aportaciones desarrolladas en GAMOS para aplicaciones PET, como la inclusión de herramientas para la reconstrucción de imágenes. Por otro lado, la evaluación NEMA del ClearPET es utilizada para comparar su rendimiento frente a otro escáner preclínico: el sistema rPET-1. Esto supone la primera caracterización NEMA NU 4 completa de ambos equipos; al mismo tiempo que se analiza cómo afectan las importantes diferencias de diseño entre ellos, especialmente el tamaño axial del campo de visión y la configuración de los detectores. El 68Ga es uno de los radioisótopos no convencionales en imagen PET que está experimentando un mayor desarrollo, sin embargo, presenta la desventaja del amplio rango o distancia recorrida por el positrón emitido. Además del rango del positrón, otra propiedad física característica de los radioisótopos PET que puede afectar a la imagen es la emisión de fotones gamma adicionales, tal como le ocurre al isótopo 48V. En esta tesis se evalúan dichos efectos mediante estudios de resolución espacial y calidad de imagen NEMA. Finalmente, se analiza el alcance del protocolo NEMA NU 4-2008 cuando se utiliza para este propósito, adaptándolo a tal fin y proponiendo posibles modificaciones. Abstract This thesis analyzes the factors affecting the performance evaluation in positron emission tomography (PET) imaging, focusing on preclinical scanners. It explores the possibilities of standard protocols of assessment on the following aspects: their use as tools to validate Monte Carlo simulation programs, their usefulness as a method for comparing scanners and their validity in the study of the effect of alternative radioisotopes on image quality. Initially we study the methods of performance evaluation oriented to validate PET simulations. For this we present the GAMOS program as a simulation framework and show the results of its validation based on the standard NEMA NU 4-2008 for preclinical PET scanners. This has been accomplished by comparing simulated results against experimental acquisitions in the ClearPET scanner, describing the methodology for the evaluation and selection of NEMA parameters. This section also mentions the contributions developed in GAMOS for PET applications, such as the inclusion of tools for image reconstruction. Furthermore, the evaluation of the ClearPET scanner is used to compare its performance against another preclinical scanner, specifically the rPET-1 system. This is the first complete NEMA NU 4 based characterization study of both systems. At the same time we analyze how do the significant design differences of these two systems, especially the size of the axial field of view and the detectors configuration affect their performance characteristics. 68Ga is one of the unconventional radioisotopes in PET imaging the use of which is currently significantly increasing; however, it presents the disadvantage of the long positron range (distance traveled by the emitted positron before annihilating with an electron). Besides the positron range, additional gamma photon emission is another physical property characteristic of PET radioisotopes that can affect the reconstructed image quality, as it happens to the isotope 48V. In this thesis we assess these effects through studies of spatial resolution and image quality. Finally, we analyze the scope of the NEMA NU 4-2008 to carry out such studies, adapting it and proposing possible modifications.

Dental Implants Success Prediction: Tomography Based and Data Mining Based Approach.

There are a number of factors that contribute to the success of dental implant operations. Among others, is the choice of location in which the prosthetic tooth is to be implanted. This project offers a new approach to analyse jaw tissue for the purpose of selecting suitable locations for teeth implant operations. The application developed takes as input jaw computed tomography stack of slices and trims data outside the jaw area, which is the point of interest. It then reconstructs a three dimensional model of the jaw highlighting points of interest on the reconstructed model. On another hand, data mining techniques have been utilised in order to construct a prediction model based on an information dataset of previous dental implant operations with observed stability values. The goal is to find patterns within the dataset that would help predicting the success likelihood of an implant.

Emission regimes in a distributed feedback tapered master-oscillator power-amplifier at 1.5 µm

Integrated master-oscillator power amplifiers driven under steady-state injection conditions are known to show a complex dynamics resulting in a variety of emission regimes. We present experimental results on the emission characteristics of a 1.5 µm distributed feedback tapered master-oscillator power-amplifier in a wide range of steady-state injection conditions, showing different dynamic behaviors. The study combines the optical and radio-frequency spectra recorded under different levels of injected current into the master oscillator and the power amplifier sections. Under low injection current of the master oscillator the correlation between the optical and radio-frequency spectral maps allows to identify operation regimes in which the device emission arises from either the master oscillator mode or from the compound cavity modes allowed by the residual reflectance of the amplifier front facet. The quasi-periodic occurrence of these emission regimes as a function of the amplifier current is interpreted in terms of a thermally tuned competition between the modes of the master oscillator and the compound cavity modes. Under high injection current of the masteroscillator, two different regimes alternate quasi-periodically as a function of the injected current in the power amplifier: a stable regime with a single mode emission at the master oscillator frequency, and an unstable and complex self-pulsating regime showing strong peaks in the radio-frequency spectra as well as multiple frequencies in the optical spectra.

Characterization of emission regimes in a 1.5 um high brightness MOPA

We present and analyze experimental results on the emission characteristics of a 1.5 ?m distributed feedback tapered master-oscillator power-amplifier in a wide range of steady-state injection conditions, showing different emission regimes under cw operation: stable single frequency emission, multi-frequency Fabry-Perot-like emission, and self-pulsation operation.

Multiscale analysis of the mechanical behavior of needle-punched nonwoven fabrics

Los fieltros son una familia de materiales textiles constituidos por una red desordenada de fibras conectadas por medio de enlaces térmicos, químicos o mecánicos. Presentan menor rigidez y resistencia (al igual que un menor coste de procesado) que sus homólogos tejidos, pero mayor deformabilidad y capacidad de absorción de energía. Los fieltros se emplean en diversas aplicaciones en ingeniería tales como aislamiento térmico, geotextiles, láminas ignífugas, filtración y absorción de agua, impacto balístico, etc. En particular, los fieltros punzonados fabricados con fibras de alta resistencia presentan una excelente resistencia frente a impacto balístico, ofreciendo las mismas prestaciones que los materiales tejidos con un tercio de la densidad areal. Sin embargo, se sabe muy poco acerca de los mecanismos de deformación y fallo a nivel microscópico, ni sobre como influyen en las propiedades mecánicas del material. Esta carencia de conocimiento dificulta la optimización del comportamiento mecánico de estos materiales y también limita el desarrollo de modelos constitutivos basados en mecanismos físicos, que puedan ser útiles en el diseño de componentes estructurales. En esta tesis doctoral se ha llevado a cabo un estudio minucioso con el fin de determinar los mecanismos de deformación y las propiedades mecánicas de fieltros punzonados fabricados con fibras de polietileno de ultra alto peso molecular. Los procesos de deformación y disipación de energía se han caracterizado en detalle por medio de una combinación de técnicas experimentales (ensayos mecánicos macroscópicos a velocidades de deformación cuasi-estáticas y dinámicas, impacto balístico, ensayos de extracción de una o múltiples fibras, microscopía óptica, tomografía computarizada de rayos X y difracción de rayos X de gran ángulo) que proporcionan información de los mecanismos dominantes a distintas escalas. Los ensayos mecánicos macroscópicos muestran que el fieltro presenta una resistencia y ductilidad excepcionales. El estado inicial de las fibras es curvado, y la carga se transmite por el fieltro a través de una red aleatoria e isótropa de nudos creada por el proceso de punzonamiento, resultando en la formación de una red activa de fibra. La rotación y el estirado de las fibras activas es seguido por el deslizamiento y extracción de la fibra de los puntos de anclaje mecánico. La mayor parte de la resistencia y la energía disipada es proporcionada por la extracción de las fibras activas de los nudos, y la fractura final tiene lugar como consecuencia del desenredo total de la red en una sección dada donde la deformación macroscópica se localiza. No obstante, aunque la distribución inicial de la orientación de las fibras es isótropa, las propiedades mecánicas resultantes (en términos de rigidez, resistencia y energía absorbida) son muy anisótropas. Los ensayos de extracción de múltiples fibras en diferentes orientaciones muestran que la estructura de los nudos conecta más fibras en la dirección transversal en comparación con la dirección de la máquina. La mejor interconectividad de las fibras a lo largo de la dirección transversal da lugar a una esqueleto activo de fibras más denso, mejorando las propiedades mecánicas. En términos de afinidad, los fieltros deformados a lo largo de la dirección transversal exhiben deformación afín (la deformación macroscópica transfiere directamente a las fibras por el material circundante), mientras que el fieltro deformado a lo largo de la dirección de la máquina presenta deformación no afín, y la mayor parte de la deformación macroscópica no es transmitida a las fibras. A partir de estas observaciones experimentales, se ha desarrollado un modelo constitutivo para fieltros punzonados confinados por enlaces mecánicos. El modelo considera los efectos de la deformación no afín, la conectividad anisótropa inducida durante el punzonamiento, la curvatura y re-orientación de la fibra, así como el desenredo y extracción de la fibra de los nudos. El modelo proporciona la respuesta de un mesodominio del material correspondiente al volumen asociado a un elemento finito, y se divide en dos bloques. El primer bloque representa el comportamiento de la red y establece la relación entre el gradiente de deformación macroscópico y la respuesta microscópica, obtenido a partir de la integración de la respuesta de las fibras en el mesodominio. El segundo bloque describe el comportamiento de la fibra, teniendo en cuenta las características de la deformación de cada familia de fibras en el mesodominio, incluyendo deformación no afín, estiramiento, deslizamiento y extracción. En la medida de lo posible, se ha asignado un significado físico claro a los parámetros del modelo, por lo que se pueden identificar por medio de ensayos independientes. Las simulaciones numéricas basadas en el modelo se adecúan a los resultados experimentales de ensayos cuasi-estáticos y balísticos desde el punto de vista de la respuesta mecánica macroscópica y de los micromecanismos de deformación. Además, suministran información adicional sobre la influencia de las características microstructurales (orientación de la fibra, conectividad de la fibra anisótropa, afinidad, etc) en el comportamiento mecánico de los fieltros punzonados. Nonwoven fabrics are a class of textile material made up of a disordered fiber network linked by either thermal, chemical or mechanical bonds. They present lower stiffness and strength (as well as processing cost) than the woven counterparts but much higher deformability and energy absorption capability and are used in many different engineering applications (including thermal insulation, geotextiles, fireproof layers, filtration and water absorption, ballistic impact, etc). In particular, needle-punched nonwoven fabrics manufactured with high strength fibers present an excellent performance for ballistic protection, providing the same ballistic protection with one third of the areal weight as compared to dry woven fabrics. Nevertheless, very little is known about their deformation and fracture micromechanisms at the microscopic level and how they contribute to the macroscopic mechanical properties. This lack of knowledge hinders the optimization of their mechanical performance and also limits the development of physically-based models of the mechanical behavior that can be used in the design of structural components with these materials. In this thesis, a thorough study was carried out to ascertain the micromechanisms of deformation and the mechanical properties of a needle-punched nonwoven fabric made up by ultra high molecular weight polyethylene fibers. The deformation and energy dissipation processes were characterized in detail by a combination of experimental techniques (macroscopic mechanical tests at quasi-static and high strain rates, ballistic impact, single fiber and multi fiber pull-out tests, optical microscopy, X-ray computed tomography and wide angle X-ray diffraction) that provided information of the dominant mechanisms at different length scales. The macroscopic mechanical tests showed that the nonwoven fabric presented an outstanding strength and energy absorption capacity. It was found that fibers were initially curved and the load was transferred within the fabric through the random and isotropic network of knots created by needlepunching, leading to the formation of an active fiber network. Uncurling and stretching of the active fibers was followed by fiber sliding and pull-out from the entanglement points. Most of the strength and energy dissipation was provided by the extraction of the active fibers from the knots and final fracture occurred by the total disentanglement of the fiber network in a given section at which the macroscopic deformation was localized. However, although the initial fiber orientation distribution was isotropic, the mechanical properties (in terms of stiffness, strength and energy absorption) were highly anisotropic. Pull-out tests of multiple fibers at different orientations showed that structure of the knots connected more fibers in the transverse direction as compared with the machine direction. The better fiber interconnection along the transverse direction led to a denser active fiber skeleton, enhancing the mechanical response. In terms of affinity, fabrics deformed along the transverse direction essentially displayed affine deformation {i.e. the macroscopic strain was directly transferred to the fibers by the surrounding fabric, while fabrics deformed along the machine direction underwent non-affine deformation, and most of the macroscopic strain was not transferred to the fibers. Based on these experimental observations, a constitutive model for the mechanical behavior of the mechanically-entangled nonwoven fiber network was developed. The model accounted for the effects of non-affine deformation, anisotropic connectivity induced by the entanglement points, fiber uncurling and re-orientation as well as fiber disentanglement and pull-out from the knots. The model provided the constitutive response for a mesodomain of the fabric corresponding to the volume associated to a finite element and is divided in two blocks. The first one was the network model which established the relationship between the macroscopic deformation gradient and the microscopic response obtained by integrating the response of the fibers in the mesodomain. The second one was the fiber model, which took into account the deformation features of each set of fibers in the mesodomain, including non-affinity, uncurling, pull-out and disentanglement. As far as possible, a clear physical meaning is given to the model parameters, so they can be identified by means of independent tests. The numerical simulations based on the model were in very good agreement with the experimental results of in-plane and ballistic mechanical response of the fabrics in terms of the macroscopic mechanical response and of the micromechanisms of deformation. In addition, it provided additional information about the influence of the microstructural features (fiber orientation, anisotropic fiber connectivity, affinity) on the mechanical performance of mechanically-entangled nonwoven fabrics.