3D Frangi-based lung vessel enhancement filter penalizing airways

This paper describes a fully automatic simultaneous lung vessel and airway enhancement filter. The approach consists of a Frangi-based multiscale vessel enhancement filtering specifically designed for lung vessel and airway detection, where arteries and veins have high contrast with respect to the lung parenchyma, and airway walls are hollow tubular structures with a non negative response using the classical Frangi's filter. The features extracted from the Hessian matrix are used to detect centerlines and approximate walls of airways, decreasing the filter response in those areas by applying a penalty function to the vesselness measure. We validate the segmentation method in 20 CT scans with different pathological states within the VESSEL12 challenge framework. Results indicate that our approach obtains good results, decreasing the number of false positives in airway walls.

Pulmonary Artery-Vein Segmentation in Real and Synthetic CT Images = Segmentación Arteria-Vena Pulmonares en Imágenes de CT Reales y Sintéticas

La tomografía axial computerizada (TAC) es la modalidad de imagen médica preferente para el estudio de enfermedades pulmonares y el análisis de su vasculatura. La segmentación general de vasos en pulmón ha sido abordada en profundidad a lo largo de los últimos años por la comunidad científica que trabaja en el campo de procesamiento de imagen; sin embargo, la diferenciación entre irrigaciones arterial y venosa es aún un problema abierto. De hecho, la separación automática de arterias y venas está considerado como uno de los grandes retos futuros del procesamiento de imágenes biomédicas. La segmentación arteria-vena (AV) permitiría el estudio de ambas irrigaciones por separado, lo cual tendría importantes consecuencias en diferentes escenarios médicos y múltiples enfermedades pulmonares o estados patológicos. Características como la densidad, geometría, topología y tamaño de los vasos sanguíneos podrían ser analizados en enfermedades que conllevan remodelación de la vasculatura pulmonar, haciendo incluso posible el descubrimiento de nuevos biomarcadores específicos que aún hoy en dípermanecen ocultos. Esta diferenciación entre arterias y venas también podría ayudar a la mejora y el desarrollo de métodos de procesamiento de las distintas estructuras pulmonares. Sin embargo, el estudio del efecto de las enfermedades en los árboles arterial y venoso ha sido inviable hasta ahora a pesar de su indudable utilidad. La extrema complejidad de los árboles vasculares del pulmón hace inabordable una separación manual de ambas estructuras en un tiempo realista, fomentando aún más la necesidad de diseñar herramientas automáticas o semiautomáticas para tal objetivo. Pero la ausencia de casos correctamente segmentados y etiquetados conlleva múltiples limitaciones en el desarrollo de sistemas de separación AV, en los cuales son necesarias imágenes de referencia tanto para entrenar como para validar los algoritmos. Por ello, el diseño de imágenes sintéticas de TAC pulmonar podría superar estas dificultades ofreciendo la posibilidad de acceso a una base de datos de casos pseudoreales bajo un entorno restringido y controlado donde cada parte de la imagen (incluyendo arterias y venas) está unívocamente diferenciada. En esta Tesis Doctoral abordamos ambos problemas, los cuales están fuertemente interrelacionados. Primero se describe el diseño de una estrategia para generar, automáticamente, fantomas computacionales de TAC de pulmón en humanos. Partiendo de conocimientos a priori, tanto biológicos como de características de imagen de CT, acerca de la topología y relación entre las distintas estructuras pulmonares, el sistema desarrollado es capaz de generar vías aéreas, arterias y venas pulmonares sintéticas usando métodos de crecimiento iterativo, que posteriormente se unen para formar un pulmón simulado con características realistas. Estos casos sintéticos, junto a imágenes reales de TAC sin contraste, han sido usados en el desarrollo de un método completamente automático de segmentación/separación AV. La estrategia comprende una primera extracción genérica de vasos pulmonares usando partículas espacio-escala, y una posterior clasificación AV de tales partículas mediante el uso de Graph-Cuts (GC) basados en la similitud con arteria o vena (obtenida con algoritmos de aprendizaje automático) y la inclusión de información de conectividad entre partículas. La validación de los fantomas pulmonares se ha llevado a cabo mediante inspección visual y medidas cuantitativas relacionadas con las distribuciones de intensidad, dispersión de estructuras y relación entre arterias y vías aéreas, los cuales muestran una buena correspondencia entre los pulmones reales y los generados sintéticamente. La evaluación del algoritmo de segmentación AV está basada en distintas estrategias de comprobación de la exactitud en la clasificación de vasos, las cuales revelan una adecuada diferenciación entre arterias y venas tanto en los casos reales como en los sintéticos, abriendo así un amplio abanico de posibilidades en el estudio clínico de enfermedades cardiopulmonares y en el desarrollo de metodologías y nuevos algoritmos para el análisis de imágenes pulmonares. ABSTRACT Computed tomography (CT) is the reference image modality for the study of lung diseases and pulmonary vasculature. Lung vessel segmentation has been widely explored by the biomedical image processing community, however, differentiation of arterial from venous irrigations is still an open problem. Indeed, automatic separation of arterial and venous trees has been considered during last years as one of the main future challenges in the field. Artery-Vein (AV) segmentation would be useful in different medical scenarios and multiple pulmonary diseases or pathological states, allowing the study of arterial and venous irrigations separately. Features such as density, geometry, topology and size of vessels could be analyzed in diseases that imply vasculature remodeling, making even possible the discovery of new specific biomarkers that remain hidden nowadays. Differentiation between arteries and veins could also enhance or improve methods processing pulmonary structures. Nevertheless, AV segmentation has been unfeasible until now in clinical routine despite its objective usefulness. The huge complexity of pulmonary vascular trees makes a manual segmentation of both structures unfeasible in realistic time, encouraging the design of automatic or semiautomatic tools to perform the task. However, this lack of proper labeled cases seriously limits in the development of AV segmentation systems, where reference standards are necessary in both algorithm training and validation stages. For that reason, the design of synthetic CT images of the lung could overcome these difficulties by providing a database of pseudorealistic cases in a constrained and controlled scenario where each part of the image (including arteries and veins) is differentiated unequivocally. In this Ph.D. Thesis we address both interrelated problems. First, the design of a complete framework to automatically generate computational CT phantoms of the human lung is described. Starting from biological and imagebased knowledge about the topology and relationships between structures, the system is able to generate synthetic pulmonary arteries, veins, and airways using iterative growth methods that can be merged into a final simulated lung with realistic features. These synthetic cases, together with labeled real CT datasets, have been used as reference for the development of a fully automatic pulmonary AV segmentation/separation method. The approach comprises a vessel extraction stage using scale-space particles and their posterior artery-vein classification using Graph-Cuts (GC) based on arterial/venous similarity scores obtained with a Machine Learning (ML) pre-classification step and particle connectivity information. Validation of pulmonary phantoms from visual examination and quantitative measurements of intensity distributions, dispersion of structures and relationships between pulmonary air and blood flow systems, show good correspondence between real and synthetic lungs. The evaluation of the Artery-Vein (AV) segmentation algorithm, based on different strategies to assess the accuracy of vessel particles classification, reveal accurate differentiation between arteries and vein in both real and synthetic cases that open a huge range of possibilities in the clinical study of cardiopulmonary diseases and the development of methodological approaches for the analysis of pulmonary images.

Escaparates de la modernidad : la tienda como laboratorio de arquitectura

El proyecto de una tienda concentra un poco de todo aquello que interesa al arquitecto: conforma una suerte de encrucijada en la que se dan cita, junto a cuestiones disciplinares que la hacen muy atractiva y ponen a prueba su habilidad como proyectista, la necesidad de aunar recursos compositivos procedentes de otros terrenos periféricos a la arquitectura para dar una respuesta adecuada a los requerimientos específicos de imagen y persuasión que la actividad comercial comporta. Las difíciles condiciones de partida, habitualmente configuraciones espaciales no excesivamente favorables, donde las preexistencias y los contornos coartan y encierran un espacio al que hay que dotar de un nuevo orden; el tamaño reducido y las posibilidades de control total de la obra que de éste se derivan; el corto plazo de tiempo y la rapidez de respuesta que la estrategia comercial impone; su posición estratégica, en relación directa con la calle, y la mayor evidencia que, por tanto, se le asigna a la fachada y al escaparate como ‘primeros anuncios’ de la actividad; la integración y el comentario recíproco entre arquitectura y objeto que tiene lugar en su seno…, son algunas de las razones que explican este interés y justifican que la tienda −ese espacio acotado tan apto para el invento y la innovación−, constituya un banco de pruebas donde poder ensayar nuevos conceptos de la arquitectura al reunir espacial y temporalmente los condicionantes ideales requeridos para la experimentación y la comprobación de hallazgos. Aunque escasas, existen en la arquitectura contemporánea tiendas que han logrado ocupar por méritos propios un lugar destacado dentro de la obra de sus autores. Entre las merecedoras de ese reconocimiento habría que citar la ‘mítica’ sastrería Kniže proyectada por Adolf Loos a comienzos del siglo XX en Viena, el Negozio Vitrum que Giuseppe Terragni diseñara en Como en los años treinta, o la sucursal londinense de las líneas aéreas de Iraq construida en los sesenta por Alison y Peter Smithson. La elección, lejos de ser gratuita, obedece a razones fundadas. Dentro de las circunstancias temporales en las que se gestaron −las tres fueron proyectadas y construidas a lo largo del pasado siglo en un arco que abarca algo más de cincuenta años (1907-1961)−, los ejemplos seleccionados aúnan toda una serie de ‘coincidencias’ entre las que no resulta difícil establecer ciertos paralelismos: las tres marcan la talla de unos creadores que fueron capaces de dedicar la misma intensidad creativa a estos temas ‘menores’, corroborando que el carácter de la arquitectura también puede hacerse grande en lo pequeño; las tres, debido al momento de madurez en el que se abordó su diseño, reflejan su condición de laboratorio experimental al servicio de los intereses proyectuales que en ese momento ocupaban la mente de los arquitectos; las tres corroboran hipótesis ya apuntadas en arquitecturas anteriores, prueban líneas de trabajo no materializadas por falta de oportunidad y testan de manera menos comprometida soluciones que luego se trasladarán a obras con mayor vocación de permanencia; obras −y esto es algo especialmente sorprendente− con las que mantuvieron una estrecha relación en el espacio y en el tiempo, convirtiéndose incluso en plataformas de experimentación paralelas: baste en este sentido con apuntar la cercanía física −a ‘metros’ de distancia− y temporal −realizadas en los mismos años− entre la sastrería Kniže (1907- 1913;1928) y la Casa en la Michaelerplatz (1910-11); la tienda Vitrum (1930) y la Casa del Fascio (1929; 1932-36) o las oficinas de venta de las Iraqi Airways (1960-61) y la sede del The Economist (1959-64). Esta potencialidad que la tienda encierra para erigirse en laboratorio de experimentación y ensayo de la arquitectura, constituye la clave de la investigación que la tesis propone. ABSTRACT A little of everything that interests the architect is concentrated in the designing of a shop: it forms a kind of crossroads bringing together, apart from certain disciplinary questions rendering it particularly attractive and testing one’s ability as a designer, the need to coordinate compositional resources from fields peripheral to architecture in order to devise an adequate response to the specific requirements of image and persuasion that are part and parcel of business activity. The difficult start-up conditions, the generally not overly favourable spatial configurations ‒where the pre-existing conditions and shape of the site encroach on and enclose a space which has to be given a new order‒, the reduced size and possibilities afforded in terms of controlling the work, the short time frame and the rapid response imposed by the business tactics and its strategic position and direct frontal relationship with the street, make the shopfront and the display window are the ‘first advertisements” of the activity, or the integration and the reciprocal commentary between architecture and what takes place within: these are but some of the reasons explaining this interest and justifying the claim that the shop –a dimensional space so well suited to invention and innovation− constitutes a test-bed for trying out new concepts of architecture, combining in space and time the ideal conditions for experiment and the examination of its findings. Albeit not numerous, there are shops in contemporary architecture which have managed on their own merit to obtain a special place among the works of their authors. Among those earning such recognition, one should mention the ‘mythical’ Kniže tailoring establishment designed by Adolf Loos at the beginning of the 20th century in Vienna, the Negozio Vitrum designed by Giuseppe Terragni in Como in the thirties, or the London offices of Iraqi Airways built in the sixties by Alison and Peter Smithson. This selection, far from gratuitous, is based on well-founded reasons. Within the circumstances of the time-frame in which they were developed −the three were designed and built during the 20th century in a period that spans just over fifty years (1907-1961)− the chosen examples bring together a whole series of ‘coincidences’ where it is not difficult to draw certain parallels: the three bear witness to the stature of creators who were capable of devoting the same creative intensity to these ‘minor’ themes, thus corroborating the fact that the nature of the architecture can also be great in less important works; the three, thanks to the moment of maturity in which their design was carried out, reflect their condition as an experimental laboratory at the service of the particular designing interests which at the time occupied the minds of these architects; the three confirm hypotheses already displayed in previous architectures, they test lines of work which had not materialised through lack of opportunity, and in a less comprised manner check solutions that were later transferred to works with a greater vocation for permanence; works −and this is something especially surprising – with which they maintained a close relationship in time and space, even becoming parallel experimental platforms: in this sense, we need only to mention the physical proximity –just metres away− and proximity in time –built within the same years− between the Kniže shop (1907-1913; 1928) and the House of Michaelerplatz (1910-11); the Vitrum shop (1930) and the Casa del Fascio (1929;1932-36); and the Iraqi Airways sales offices (1960-61) and the headquarters of The Economist (1959-64). The potential of the shop to set itself up as an experimental laboratory and architectural rehearsal constitutes the main focus of the research put forward by this thesis.