Influence of reconstruction parameters during filtered backprojection and ordered-subset expectation maximization in the measurement of the left-ventricular volumes and function during gated SPECT

A crucial method for investigating patients with coronary artery disease (CAD) is the calculation of the left ventricular ejection fraction (LVEF). It is, consequently, imperative to precisely estimate the value of LVEF--a process that can be done with myocardial perfusion scintigraphy. Therefore, the present study aimed to establish and compare the estimation performance of the quantitative parameters of the reconstruction methods filtered backprojection (FBP) and ordered-subset expectation maximization (OSEM). Methods: A beating-heart phantom with known values of end-diastolic volume, end-systolic volume, and LVEF was used. Quantitative gated SPECT/quantitative perfusion SPECT software was used to obtain these quantitative parameters in a semiautomatic mode. The Butterworth filter was used in FBP, with the cutoff frequencies between 0.2 and 0.8 cycles per pixel combined with the orders of 5, 10, 15, and 20. Sixty-three reconstructions were performed using 2, 4, 6, 8, 10, 12, and 16 OSEM subsets, combined with several iterations: 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 32, and 64. Results: With FBP, the values of end-diastolic, end-systolic, and the stroke volumes rise as the cutoff frequency increases, whereas the value of LVEF diminishes. This same pattern is verified with the OSEM reconstruction. However, with OSEM there is a more precise estimation of the quantitative parameters, especially with the combinations 2 iterations × 10 subsets and 2 iterations × 12 subsets. Conclusion: The OSEM reconstruction presents better estimations of the quantitative parameters than does FBP. This study recommends the use of 2 iterations with 10 or 12 subsets for OSEM and a cutoff frequency of 0.5 cycles per pixel with the orders 5, 10, or 15 for FBP as the best estimations for the left ventricular volumes and ejection fraction quantification in myocardial perfusion scintigraphy.

Lesion detection performance: comparative analysis of low-dose CT data of the chest on two hybrid imaging systems

Incidental findings on low-dose CT images obtained during hybrid imaging are an increasing phenomenon as CT technology advances. Understanding the diagnostic value of incidental findings along with the technical limitations is important when reporting image results and recommending follow-up, which may result in an additional radiation dose from further diagnostic imaging and an increase in patient anxiety. This study assessed lesions incidentally detected on CT images acquired for attenuation correction on two SPECT/CT systems. Methods: An anthropomorphic chest phantom containing simulated lesions of varying size and density was imaged on an Infinia Hawkeye 4 and a Symbia T6 using the low-dose CT settings applied for attenuation correction acquisitions in myocardial perfusion imaging. Twenty-two interpreters assessed 46 images from each SPECT/CT system (15 normal images and 31 abnormal images; 41 lesions). Data were evaluated using a jackknife alternative free-response receiver-operating-characteristic analysis (JAFROC). Results: JAFROC analysis showed a significant difference (P < 0.0001) in lesion detection, with the figures of merit being 0.599 (95% confidence interval, 0.568, 0.631) and 0.810 (95% confidence interval, 0.781, 0.839) for the Infinia Hawkeye 4 and Symbia T6, respectively. Lesion detection on the Infinia Hawkeye 4 was generally limited to larger, higher-density lesions. The Symbia T6 allowed improved detection rates for midsized lesions and some lower-density lesions. However, interpreters struggled to detect small (5 mm) lesions on both image sets, irrespective of density. Conclusion: Lesion detection is more reliable on low-dose CT images from the Symbia T6 than from the Infinia Hawkeye 4. This phantom-based study gives an indication of potential lesion detection in the clinical context as shown by two commonly used SPECT/CT systems, which may assist the clinician in determining whether further diagnostic imaging is justified.

Guitar solo tracker

A motivação para este trabalho vem da necessidade que o autor tem em poder registar as notas tocadas na guitarra durante o processo de improviso. Quando o músico está a improvisar na guitarra, muitas vezes não se recorda das notas tocadas no momento, este trabalho trata o desenvolvimento de uma aplicação para guitarristas, que permita registar as notas tocadas na guitarra eléctrica ou clássica. O sinal é adquirido a partir da guitarra e processado com requisitos de tempo real na captura do sinal. As notas produzidas pela guitarra eléctrica, ligada ao computador, são representadas no formato de tablatura e/ou partitura. Para este efeito a aplicação capta o sinal proveniente da guitarra eléctrica a partir da placa de som do computador e utiliza algoritmos de detecção de frequência e algoritmos de estimação de duração de cada sinal para construir o registo das notas tocadas. A aplicação é desenvolvida numa perspectiva multi-plataforma, podendo ser executada em diferentes sistemas operativos Windows e Linux, usando ferramentas e bibliotecas de domínio público. Os resultados obtidos mostram a possibilidade de afinar a guitarra com valores de erro na ordem de 2 Hz em relação às frequências de afinação standard. A escrita da tablatura apresenta resultados satisfatórios, mas que podem ser melhorados. Para tal será necessário melhorar a implementação de técnicas de processamento do sinal bem como a comunicação entre processos para resolver os problemas encontrados nos testes efectuados.

Medição de parâmetros de componentes passivos RLC em ambiente LabVIEW pelo método da desmodulação síncrona ou coerente

A presente dissertação apresenta o desenvolvimento de um medidor de componentes passivos RLC. Este medidor baseia-se num protótipo desenvolvido para possibilitar a medição da impedância de um dispositivo em teste. Tendo uma carta de aquisição de sinal como interface, o protótipo comunica com um computador que controla todo o processo de medição desde a aquisição e processamento de sinais ao cálculo e visualização dos parâmetros. A topologia de medição implementada é a da ponte auto-balanceada e no processamento recorre-se ao método da desmodulação síncrona ou coerente. A sua viabilidade é suportada por um estudo teórico prévio, pela discussão das opções tomadas no projecto e pelos resultados obtidos através do algoritmo desenvolvido utilizando o software LabVIEW de programação gráfica.

Fatty liver characterization and classification by ultrasound

Steatosis, also known as fatty liver, corresponds to an abnormal retention of lipids within the hepatic cells and reflects an impairment of the normal processes of synthesis and elimination of fat. Several causes may lead to this condition, namely obesity, diabetes, or alcoholism. In this paper an automatic classification algorithm is proposed for the diagnosis of the liver steatosis from ultrasound images. The features are selected in order to catch the same characteristics used by the physicians in the diagnosis of the disease based on visual inspection of the ultrasound images. The algorithm, designed in a Bayesian framework, computes two images: i) a despeckled one, containing the anatomic and echogenic information of the liver, and ii) an image containing only the speckle used to compute the textural features. These images are computed from the estimated RF signal generated by the ultrasound probe where the dynamic range compression performed by the equipment is taken into account. A Bayes classifier, trained with data manually classified by expert clinicians and used as ground truth, reaches an overall accuracy of 95% and a 100% of sensitivity. The main novelties of the method are the estimations of the RF and speckle images which make it possible to accurately compute textural features of the liver parenchyma relevant for the diagnosis.

BIT: Biosignal Igniter Toolkit

The study of biosignals has had a transforming role in multiple aspects of our society, which go well beyond the health sciences domains to which they were traditionally associated with. While biomedical engineering is a classical discipline where the topic is amply covered, today biosignals are a matter of interest for students, researchers and hobbyists in areas including computer science, informatics, electrical engineering, among others. Regardless of the context, the use of biosignals in experimental activities and practical projects is heavily bounded by the cost, and limited access to adequate support materials. In this paper we present an accessible, albeit versatile toolkit, composed of low-cost hardware and software, which was created to reinforce the engagement of different people in the field of biosignals. The hardware consists of a modular wireless biosignal acquisition system that can be used to support classroom activities, interface with other devices, or perform rapid prototyping of end-user applications. The software comprehends a set of programming APIs, a biosignal processing toolbox, and a framework for real time data acquisition and postprocessing. (C) 2014 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Estimation of signal subspace on hyperspectral data

Dimensionality reduction plays a crucial role in many hyperspectral data processing and analysis algorithms. This paper proposes a new mean squared error based approach to determine the signal subspace in hyperspectral imagery. The method first estimates the signal and noise correlations matrices, then it selects the subset of eigenvalues that best represents the signal subspace in the least square sense. The effectiveness of the proposed method is illustrated using simulated and real hyperspectral images.

Stability Condition Based Sliding Mode Modulators for Multilevel Power Converters

Sliding mode controllers for power converters usually employ hysteresis comparators to directly generate the power semiconductors switching states. This paper presents a new sliding mode modulator based on the direct implementation of the sliding mode stability condition, which for multilevel power converters shows advantages, as branch equalized switching frequencies and less distortion on the ac currents when operating near the rated converter power. The new sliding mode multilevel modulator is used to control a three-phase multilevel converter, operated as a reactive power compensator (STATCOM), implementing the stability condition in a digital signal processing system. The performance of this new sliding mode modulator is compared with a multilevel modulator based on hysteresis comparators. Simulation and experimental results are presented in order to highlight the system operation and control robustness.

Design of improved rail-to-rail low-distortion and low-stress switches in advanced CMOS technologies

This paper describes the efficient design of an improved and dedicated switched-capacitor (SC) circuit capable of linearizing CMOS switches to allow SC circuits to reach low distortion levels. The described circuit (SC linearization control circuit, SLC) has the advantage over conventional clock-bootstrapping circuits of exhibiting low-stress, since large gate voltages are avoided. This paper presents exhaustive corner simulation results of a SC sample-and-hold (S/H) circuit which employs the proposed and optimized circuits, together with the experimental evaluation of a complete 10-bit ADC utilizing the referred S/H circuit. These results show that the SLC circuits can reduce distortion and increase dynamic linearity above 12 bits for wide input signal bandwidths.

Learning dependent sources using mixtures of Dirichlet: applications on hyperspectral unmixing

This paper is an elaboration of the DECA algorithm [1] to blindly unmix hyperspectral data. The underlying mixing model is linear, meaning that each pixel is a linear mixture of the endmembers signatures weighted by the correspondent abundance fractions. The proposed method, as DECA, is tailored to highly mixed mixtures in which the geometric based approaches fail to identify the simplex of minimum volume enclosing the observed spectral vectors. We resort then to a statitistical framework, where the abundance fractions are modeled as mixtures of Dirichlet densities, thus enforcing the constraints on abundance fractions imposed by the acquisition process, namely non-negativity and constant sum. With respect to DECA, we introduce two improvements: 1) the number of Dirichlet modes are inferred based on the minimum description length (MDL) principle; 2) The generalized expectation maximization (GEM) algorithm we adopt to infer the model parameters is improved by using alternating minimization and augmented Lagrangian methods to compute the mixing matrix. The effectiveness of the proposed algorithm is illustrated with simulated and read data.

Conversor estático de potência tolerante a falhas

O trabalho apresentado nesta dissertação refere-se à concepção, projecto e realização experimental de um conversor estático de potência tolerante a falhas. Foram analisados trabalhos de investigação sobre modos de falha de conversores electrónicos de potência, topologias de conversores tolerantes a falhas, métodos de detecção de falhas, entre outros. Com vista à concepção de uma solução, foram nomeados e analisados os principais modos de falhas para três soluções propostas de conversores com topologias tolerantes a falhas onde existem elementos redundantes em modo de espera. Foram analisados os vários aspectos de natureza técnica dos circuitos de potência e guiamento de sinais onde se salientam a necessidade de tempos mortos entre os sinais de disparo de IGBT do mesmo ramo, o isolamento galvânico entre os vários andares de disparo, a necessidade de minimizar as auto-induções entre o condensador DC e os braços do conversor de potência. Com vista a melhorar a fiabilidade e segurança de funcionamento do conversor estático de potência tolerante a falhas, foi concebido um circuito electrónico permitindo a aceleração da actuação normal de contactores e outro circuito responsável pelo encaminhamento e inibição dos sinais de disparo. Para a aplicação do conversor estático de potência tolerante a falhas desenvolvido num accionamento com um motor de corrente contínua, foi implementado um algoritmo de controlo numa placa de processamento digital de sinais (DSP), sendo a supervisão e actuação do sistema realizados em tempo-real, para a detecção de falhas e actuação de contactores e controlo de corrente e velocidade do motor utilizando uma estratégia de comando PWM. Foram realizados ensaios que, mediante uma detecção adequada de falhas, realiza a comutação entre blocos de conversores de potência. São apresentados e discutidos resultados experimentais, obtidos usando o protótipo laboratorial.

Sensor de glicose polarimétrico

Esta tese tem como principal objectivo a investigação teórica e experimental do desempenho de um sensor polarimétrico baseado num cristal líquido para medição da concentração de glicose. Recentemente uma série de sensores polarimétricos baseados em cristais líquidos foram propostos na literatura e receberam considerável interesse devido as suas características únicas. De facto, em comparação com outros moduladores electro-ópticos, o cristal líquido funciona com tensões mais baixas, tem baixo consumo de energia e maior ângulo de rotação. Além disso, este tipo de polarímetro pode ter pequenas dimensões que é uma característica interessante para dispositivos portáteis e compactos. Existem por outro lado algumas desvantagens, nomeadamente o facto do desempenho do polarímetro ser fortemente dependente do tipo de cristal líquido e da tensão a ele aplicada o que coloca desafios na escolha dos parâmetros óptimos de operação. Esta tese descreve o desenvolvimento do sensor polarimétrico, incluindo a integração dos componentes de óptica e electrónica, os algoritmos de processamento de sinal e um interface gráfico que facilita a programação de diversos parâmetros de operação e a calibração do sensor. Após a optimização dos parâmetros de operação verificou-se que o dispositivo mede a concentração da glicose em amostras com uma concentração de 8 mg/ml, com uma percentagem de erro inferior a 6% e um desvio padrão de 0,008o. Os resultados foram obtidos para uma amostra com percurso óptico de apenas 1 cm.

Augmented LDPC Graph for Distributed Video Coding with Multiple Side Information

The advances made in channel-capacity codes, such as turbo codes and low-density parity-check (LDPC) codes, have played a major role in the emerging distributed source coding paradigm. LDPC codes can be easily adapted to new source coding strategies due to their natural representation as bipartite graphs and the use of quasi-optimal decoding algorithms, such as belief propagation. This paper tackles a relevant scenario in distributedvideo coding: lossy source coding when multiple side information (SI) hypotheses are available at the decoder, each one correlated with the source according to different correlation noise channels. Thus, it is proposed to exploit multiple SI hypotheses through an efficient joint decoding technique withmultiple LDPC syndrome decoders that exchange information to obtain coding efficiency improvements. At the decoder side, the multiple SI hypotheses are created with motion compensated frame interpolation and fused together in a novel iterative LDPC based Slepian-Wolf decoding algorithm. With the creation of multiple SI hypotheses and the proposed decoding algorithm, bitrate savings up to 8.0% are obtained for similar decoded quality.

Damage detection and quantification using transmissibility

Structures experience various types of loads along their lifetime, which can be either static or dynamic and may be associated to phenomena of corrosion and chemical attack, among others. As a consequence, different types of structural damage can be produced; the deteriorated structure may have its capacity affected, leading to excessive vibration problems or even possible failure. It is very important to develop methods that are able to simultaneously detect the existence of damage and to quantify its extent. In this paper the authors propose a method to detect and quantify structural damage, using response transmissibilities measured along the structure. Some numerical simulations are presented and a comparison is made with results using frequency response functions. Experimental tests are also undertaken to validate the proposed technique. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Modelação e concepção da carroçaria do veículo eléctrico ecológico (VEECO)

Neste trabalho aborda-se o desenvolvimento da carroçaria do Veículo Eléctrico Ecológico – VEECO recorrendo a tecnologias assistidas por computador. Devido à impossibilidade de abranger toda a temática das tecnologias assistidas por computador, associadas ao desenvolvimento de uma carroçaria automóvel, o foco deste trabalho assenta no processo de obtenção de um modelo digital válido e no estudo do desempenho aerodinâmico da carroçaria. A existência de um modelo digital válido é a base de qualquer processo de desenvolvimento associado a tecnologias assistidas por computador. Neste sentido, numa primeira etapa, foram aplicadas e desenvolvidas técnicas e metodologias que permitem o desenvolvimento de uma carroçaria desde a sua fase de “design” até à obtenção de um modelo digital CAD. Estas abrangem a conversão e importação de dados, a realização de engenharia inversa, a construção/reconstrução CAD em CATIA V5 e a preparação/correcção de modelos CAD para a análise numérica. Numa segunda etapa realizou-se o estudo da aerodinâmica exterior da carroçaria, recorrendo à ferramenta de análise computacional de fluidos (CFD) Flow Simulation da CosmosFloworks integrado no programa SolidWorks 2010. Associado à temática do estudo aerodinâmico e devido à elevada importância da validação dos resultados numéricos por meio de dados experimentais, foi realizado o estudo de análise dimensional que permite a realização de ensaios experimentais à escala, bem como a análise dos resultados experimentais obtidos.