Automatic segmentation of abdominal aortic aneurysm from medical images based on active shape models and texture models

A semi-automatic segmentation algorithm for abdominal aortic aneurysms (AAA), and based on Active Shape Models (ASM) and texture models, is presented in this work. The texture information is provided by a set of four 3D magnetic resonance (MR) images, composed of axial slices of the abdomen, where lumen, wall and intraluminal thrombus (ILT) are visible. Due to the reduced number of images in the MRI training set, an ASM and a custom texture model based on border intensity statistics are constructed. For the same reason the shape is characterized from 35-computed tomography angiography (CTA) images set so the shape variations are better represented. For the evaluation, leave-one-out experiments have been held over the four MRI set.

Quantitative evaluation of patient-specific conforming hexahedral meshes of abdominal aortic aneurysms and intraluminal thrombus generated from MRI

A novel method for generating patient-specific high quality conforming hexahedral meshes is presented. The meshes are directly obtained from the segmentation of patient magnetic resonance (MR) images of abdominal aortic aneu-rysms (AAA). The MRI permits distinguishing between struc-tures of interest in soft tissue. Being so, the contours of the lumen, the aortic wall and the intraluminal thrombus (ILT) are available and thus the meshes represent the actual anato-my of the patient?s aneurysm, including the layered morpholo-gies of these structures. Most AAAs are located in the lower part of the aorta and the upper section of the iliac arteries, where the inherent tortuosity of the anatomy and the presence of the ILT makes the generation of high-quality elements at the bifurcation is a challenging task. In this work we propose a novel approach for building quadrilateral meshes for each surface of the sectioned geometry, and generating conforming hexahedral meshes by combining the quadrilateral meshes. Conforming hexahedral meshes are created for the wall and the ILT. The resulting elements are evaluated on four patients? datasets using the Scaled Jacobian metric. Hexahedral meshes of 25,000 elements with 94.8% of elements well-suited for FE analysis are generated.

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

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

Capilla del M.I.T. de Eero Saarinen, 1950-55 : sincretismo en la armonía de los opuestos

La historia de la arquitectura se ha medido - en parte - por la evolución de las modas, épocas y estilos de la arquitectura religiosa. En la aparición de las nuevas capillas interreligiosas universitarias de los años '50 de Norteamérica, la capilla del M.I.T., bautizada tras su inauguración como “Kresge Chapel” en honor al apellido de su benefactor, fue el máximo exponente como prototipo en esta época marcada por la aparición nuevas conciencias de posguerra. (II Guerra Mundial). La tesis centra su investigación en esta capilla, cómo nació en respuesta a la necesidad de compatibilizar la enseñanza reglada científico tecnológica con una formación religiosa y humanista, para el programa impuesto como ampliación del campus universitario del MIT en el barrio universitario de Cambridge, Boston, Massachussets, en torno a dos edificios principales a proyectar: capilla y auditorio. Desde el trabajo de investigación se aporta la información documental necesaria para saber cómo evolucionó desde sus primeros bocetos hasta su construcción. Su nacimiento como necesidad en la sociedad universitaria no fue nada espontáneo, quedando a medias entre la influencia escandinavo - alemana y la tradición americano-luterana de anteriores iglesias neoclásicas herederas del “Plan Akron”. La formación académica y profesional dirigida por su padre, Eliel Saarinen, suman junto a los viajes del arquitecto, una herencia “genética” para con este prototipo ajeno al emergente “estilo internacional” y ayudan a comprender la dimensión compleja de lo que es capaz de representar la capilla. La capilla es refugio emocional de la luz y es un punto de inflexión notable en la recuperación del tipo centrado renovado y evolucionado, que junto con el doble recurso lumínico - efectista, de la vertical para el altar y horizontal inferior, distribuido desde el perímetro ondulado en el interior, el ejemplo es muestra la promoción de una cierta sensibilidad para con las nuevas formas de la "religión" emergentes en la Norteamérica de los años 50. Desde el sincretismo como mecanismo y principal “modus operandi” proyectual, FE versus RAZÓN, aparecen como dualismo permanente en todas las fases del proyecto, desde un proceso de búsqueda de la armonía de ambos y para cada uno de ellos. Con el estudio del modelo prototípico del MIT, buscamos el "patrón" empleado por el arquitecto en su proyección de "nueva iglesia" adaptado a la diversidad cultural y religiosa y de las nuevas y diferentes sensibilidades humanistas para el proyecto. ----------------------------------------------------- SUMMARY--------------------------------------------------- The history of architecture is measured - in part - by the evolution of fashion, periods and styles of religious architecture. In the emergence of the new interfaith university chapel of the 1950s in North America, the chapel of MIT, named after its inauguration as "Kresge Chapel" in honor of its benefactor, was the best example of a prototype, in this time so marked by the emergence of new postwar consciousnesses. The thesis focuses its research on this chapel; how it came about in response to the need to reconcile formal scientific and technological education with religious and humanist training for the program imposed as an extension of the campus of MIT in the university district of Cambridge, Boston Massachusetts, around two main projected buildings : Chapel and auditorium. From research work has been obtained the documentary information necessary to know how it evolved from the first sketches to its construction. Its creation as a necessity of the university society was not at all spontaneous, being halfway between the Scandinavian influence - German and the American Lutheran tradition of neoclassical churches, the heirs to the "Akron Plan". The academic and professional training directed by his father, Eliel Saarinen, together with the travels of the architect, a "genetic" heritage with this external prototype for the emerging "international style", and help to understand the complex dimension of what the chapel is capable of representing. The chapel is an emotional refuge of light and is a remarkable turning point in the recovery of such focused renewed and evolved, along with the double lumen resource - gimmicky, vertical to the altar and lower horizontal, distributed from the undulating perimeter inside, the example is shown to promote a certain sensitivity to the new forms of "religion" but vague religious profile emerging in the America of the 50s. From the syncretism as a mechanism and main "modus operandi" of the project, FAITH versus REASON appears as permanent dualism in all phases of the project from a process of finding the harmony of both and for each of them. With the study of the prototypical model of MIT, we seek the "pattern" used by the architect in his projection of "new church" adapted to the cultural and religious diversity and new and different humanist sensitivities for the project. El desarrollo vierte la luz suficiente para entender los patrones de lo arquitectónico en la capilla, que hacen de ella, la comunión armónica y perfecta de los nombrados opuestos en el campus universitario del MIT. En el camino, además, la investigación arroja luz y orden sobre las fases del proyecto a través de la contribución, recogida, clasificación y orden de los datos, fechas y documentos gráficos, a día de hoy dispersos y confusamente publicados, debido a la no existencia de un estudio profundo y completo como el que pretende ser este trabajo, por ser una obra fundamental en la historia de la arquitectura moderna. El patrón final demostrará el artificio sincrético de cada una de las partes - cada uno en sí misma y cosidas todas - formando el "Ima Summis" de la capilla; resultado de la acción proyectual deducida de su serie genética descifrada. De esta forma, lo sincrético, aparece como el principal atributo del hecho construido, pasando de lo místico a lo científico, de lo intuitivo a lo razonado y siempre con el vehículo de su arquitectura para la interpretación de lo inefable al interior. En cuanto a la estructura de la tesis, se inicia el desarrollo a partir de una introducción en la que se declaran las intenciones y se describe el contexto de lo investigado en torno a la hipótesis principal anunciada en el subtítulo de la tesis. Frente a consideraciones previas de la capilla y de la propia investigación, se expone y explica la hipótesis principal, junto a otros objetivos secundarios. Para finalizar la introducción, se describe el método seguido como estrategia y se justifica la estructura de redacción del documento para la compresión de este trabajo hacia sus conclusiones. Es en el primer capítulo, el C1, donde se inicia el cuerpo central mediante la exposición historiográfica de la situación y contexto previo a la capilla como antecedentes. En un segundo capítulo, el C2, se aborda el estudio del desarrollo del proyecto y de la obra y construcción de la capilla, base documental necesaria. Para ello se inicia con la descripción del lugar, del encargo y del programa, para pasar a mostrar con detalle las distintas propuestas de cada una de las fases del proyecto. En definitiva, qué se proyecto, cómo evolucionó el proyecto y en qué fases transcurrió, para entre otras cuestiones, entender el cambio de estilo desde una fase influenciada por la capilla de Mies construida en el ITT de Chicago, (denominadas en este trabajo por esta influencia como modelos “miesianos”) y la fase reencuentro con el modus de hacer iniciado por su padre Eliel, a través de un modelo a medias de una herencia escandinavo - alemana y la tradición luterano - americana, (denominada en este trabajo como herencia o modelos “saariniana/os”). The development sheds enough light to understand the architectural patterns of the chapel, making it the perfect and harmonic communion named opposites on the campus of MIT. Along the way, furthermore, the research sheds light and order on the phases of the project through the contribution, collection, sorting and order of data, dates and graphic documents, today scattered and confusingly published, due to inexistence of a deep and comprehensive study like this work is meant to be, in the context of such a seminal work in the history of modern architecture. The final pattern will demonstrate the syncretic artifice of each of the parts - each in itself and all together - forming the "Ima Summis" of the chapel; the result of the project action deducted from its deciphered genetic series. Being the SYNCRETIC, the main attribute of the built matter, passing from the mystical to the scientific, from the intuitive to the reasoned and always with the vehicle of architecture as the representation of the ineffable. As for the structure of the thesis, the development starts from an introduction in which the intentions are declared and the context of that which is investigated is described, in terms of the main hypothesis announced in the subtitle of the thesis. Faced with previous considerations of the chapel and the research itself, the principal hypothesis is expressed and explained, along with other secondary objectives. To conclude the introduction, the method followed is described as a strategy and the structuring of the document is justified for the compression of this work towards its conclusions. It is in the first chapter of the thesis, the C1, where the main body of the work is initiated through the historiographical account of the situation and context prior to the chapel as antecedents. A second chapter, C2, addresses the study of the development of the project and of the work and construction of the chapel, based on the necessary documentary evidence. To this end, the analysis begins with the description of the place, the commission and the program, moving on to analyze in detail the various proposals of each phase. What is projected, how it evolved and through what phases passed the project to, among other questions, understand the change in style between the phase of influence of Mies through the projected chapel in the ITT of Chicago chapel (called in this work as "miesian" influences or models) and the reunion with the modus of making initiated by his father Eliel, through a model equally at once of Scandinavian-German heritage and of the American-Lutheran tradition, (referred to in this work as "saarinian" inheritance or models). Para el tercer capítulo, el C3, se llevan a estudio y análisis, los elementos más destacables en los que se prueban las particularidades llamadas “genéticas” en cada uno de las partes principales detectadas en la capilla. Desde ellas se rastrean las influencias - a veces sinergias - que ayudan a justificar y conformar una clasificación genética en torno a cuatro patrones principales, de los que poder discernir al final del capítulo, el “patrón matriz” de la propia capilla en base a la concurrencia de los órdenes arquitectónicos que los conforman. Una vez obtenida la información y orden necesario, se puede afrontar el punto álgido de esta tesis con el cuarto capítulo, el C4, en el que se justifica la capacidad sincrética de la capilla como respuesta a la hipótesis principal señalada en el subtítulo. Para ello se inicia el capítulo con el enfoque y contexto del término “sincretismo” y “sincrético”, aportando la justificación de sus usos para con esta investigación, antes de explicar que la capilla es sincrética por la suma de dos claves fundamentales. La clave primera, correspondiente a la capacidad interconfesional y aconfesional de la capilla, y su capacidad de trascender al interior desde ambas situaciones además de ser reconocible por el religioso y a la vez por el científico. Y la clave segunda, que corresponde a la suma de las distintas partes sincréticas, cada una en si mismas, capaz de sumar todas juntas, este edificio sincrético de los nombrados opuestos. Una vez discernido las claves de lo sincrético en la capilla y a pesar de su doble carácter SACRO Y PROFANO, una comparativa posiciona a la capilla como único entre los ejemplos interconfesionales construidos en los ´50, sin haberse repetido de igual manera y mismo resultado en el tiempo, ni en ninguna otra universidad o centro tecnológico. Así la exposición de este trabajo finaliza con el último capítulo, el C5, en el que desde esa comparativa, una serie de cuestiones unen y distancian a la del MIT y dan acierto a la apuesta inicial, concluyendo que la hipótesis y el patrón de la misma, es el patrón de lo sincrético que modela el ”modus operandi ” del arquitecto. Tras el desarrollo, la investigación cierra filas en torno a cuatro conclusiones para los cuatro capítulos principales; C2, C3, C4, C5. La capilla del MIT como modelo prototípico no se repite en el tiempo, ni en ninguna otra universidad y se posiciona como el mejor prototipo – hito de una nueva arquitectura religiosa universitaria. In the third chapter, C3, we study and analyze the most notable elements in which are found those particularities referred to as "genetic" in each of the principal parts, (see above C3.1.1... - C3.1.8), where these influences - sometimes synergies - are traced, helping to justify and form a classification based on four of those principals (see above C3.2), from which, at the end of this chapter may be discerned a matrix pattern, that of the chapel itself (see above. C3.3.), based on concurrent architectural orders. Once the necessary information and order is obtained, we come to the decisive point in the fourth chapter, C4, where the syncretic capacity of the chapel in response to the main hypothesis indicated in the subtitle of the thesis is justified. For this, the chapter beings with the focus and context of the terms "syncretism" and "syncretic", providing justification for their use for this research, going on to assert that the chapel is syncretic from the sum of two fundamental aspects: the first corresponds to the interfaith and non-denominational capacities of the chapel, its ability to transcend both situations and be recognizable by both the religious and the scientific. The second corresponds to the sum of the different syncretic parts, each in themselves, capable of making together a syncretic building with the opposite. Once discerned the keys to the syncretic and epic in the chapel and despite its dual character both SACRED and PROFANE, a comparatison positions the chapel as being unique among interfaith examples built in the 1950s, without being repeated in the same way and with the same result over time or in any other university or centre of technology. So, the exhibition of this work ends with the last chapter, C5, in which from that comparison a number of issues come together and to distance themselves from MIT and bear out the initial proposition, concluding that the hypothesis and its pattern, the pattern of the syncretic which models the "modus operandi" of the architect to contain the ineffable. The research closes ranks around four conclusions for the four main chapters; C2, C3, C4, and C5 The chapel of MIT as a prototypical model is not repeated in time, or any other university and is positioned as the best prototype - a landmark of a new universitary religious architecture.