Temporal diffeomorphic free-form deformation: application to motion and strain estimation from 3D echocardiography

This paper presents a new registration algorithm, called Temporal Di eomorphic Free Form Deformation (TDFFD), and its application to motion and strain quanti cation from a sequence of 3D ultrasound (US) images. The originality of our approach resides in enforcing time consistency by representing the 4D velocity eld as the sum of continuous spatiotemporal B-Spline kernels. The spatiotemporal displacement eld is then recovered through forward Eulerian integration of the non-stationary velocity eld. The strain tensor iscomputed locally using the spatial derivatives of the reconstructed displacement eld. The energy functional considered in this paper weighs two terms: the image similarity and a regularization term. The image similarity metric is the sum of squared di erences between the intensities of each frame and a reference one. Any frame in the sequence can be chosen as reference. The regularization term is based on theincompressibility of myocardial tissue. TDFFD was compared to pairwise 3D FFD and 3D+t FFD, bothon displacement and velocity elds, on a set of synthetic 3D US images with di erent noise levels. TDFFDshowed increased robustness to noise compared to these two state-of-the-art algorithms. TDFFD also proved to be more resistant to a reduced temporal resolution when decimating this synthetic sequence. Finally, this synthetic dataset was used to determine optimal settings of the TDFFD algorithm. Subsequently, TDFFDwas applied to a database of cardiac 3D US images of the left ventricle acquired from 9 healthy volunteers and 13 patients treated by Cardiac Resynchronization Therapy (CRT). On healthy cases, uniform strain patterns were observed over all myocardial segments, as physiologically expected. On all CRT patients, theimprovement in synchrony of regional longitudinal strain correlated with CRT clinical outcome as quanti ed by the reduction of end-systolic left ventricular volume at follow-up (6 and 12 months), showing the potential of the proposed algorithm for the assessment of CRT.

Effect of radar rainfall time resolution on the predictive capability of a distributed hydrologic model

The performance of a hydrologic model depends on the rainfall input data, both spatially and temporally. As the spatial distribution of rainfall exerts a great influence on both runoff volumes and peak flows, the use of a distributed hydrologic model can improve the results in the case of convective rainfall in a basin where the storm area is smaller than the basin area. The aim of this study was to perform a sensitivity analysis of the rainfall time resolution on the results of a distributed hydrologic model in a flash-flood prone basin. Within such a catchment, floods are produced by heavy rainfall events with a large convective component. A second objective of the current paper is the proposal of a methodology that improves the radar rainfall estimation at a higher spatial and temporal resolution. Composite radar data from a network of three C-band radars with 6-min temporal and 2 × 2 km2 spatial resolution were used to feed the RIBS distributed hydrological model. A modification of the Window Probability Matching Method (gauge-adjustment method) was applied to four cases of heavy rainfall to improve the observed rainfall sub-estimation by computing new Z/R relationships for both convective and stratiform reflectivities. An advection correction technique based on the cross-correlation between two consecutive images was introduced to obtain several time resolutions from 1 min to 30 min. The RIBS hydrologic model was calibrated using a probabilistic approach based on a multiobjective methodology for each time resolution. A sensitivity analysis of rainfall time resolution was conducted to find the resolution that best represents the hydrological basin behaviour.

Augment de la resolució en la reconstrucció de les temperatures de l'aigua i de l'aire del llac Baikal (Sibèria) dels últims 60.000 anys

Aquest estudi consisteix en l’augment de la resolució en la reconstrucció de la temperatura de l’aigua i l’aire del llac Baikal durant els últims 60.000 anys mitjançant l’ús de les proxies de reconstrucció de la temperatura TEX86 i MAAT, i la d’aportació de matèria orgànica d’origen terrestre, el BIT. L’objectiu general d’aquesta investigació és incrementar la resolució temporal en el mostreig del testimoni CON-01-603-02 per tal de millorar el registre de dades obtingudes i d’aquesta manera poder contrastar la hipòtesi de la interconnexió climàtica global, així com identificar esdeveniments climàtics sobtats, tals com els Heinrich events i els esdeveniments D-O. Un cop obtinguts els resultats s’ha realitzat l’anàlisi de la qualitat i fiabilitat de les dades a les resolucions de 5, 10 i 20 Kanys, i es conclou que existeixen diferències globals estadísticament significatives amb els resultats realitzats per Escala et al., (r.n.p [resultats no publicats]), la resolució dels quals es volia augmentar. S’han tractat d’anular aquestes diferències restant o bé sumant la diferència mitjana obtinguda entre les dues mostres en cada un dels intervals de 5 Kanys en què s’han donat aquestes. Els resultats integrats d’Escala et al.,(r.n.p) i els d’aquest estudi, aporten dades que recolzen l’hipòtesi de la interconnexió climàtica global, ja que al comparar-los amb els registres climàtics de Grenlàndia (GRIP2) i l’Antàrtica (Vostok) mostren respostes similars tant per les forces de Milankovitch com per les de subMilankovitch.

Desenvolupament d'eines d'alta ressolució per al cribatge (screening) de l'activitat de fàrmacs

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Satandford University, EEUU, entre 2007 i 2009. Els darrers anys, hi ha hagut un avanç espectacular en la tecnologia aplicada a l’anàlisi del genoma i del proteoma (microarrays, PCR quantitativa real time, electroforesis dos dimensions, espectroscòpia de masses, etc.) permetent la resolució de mostres complexes i la detecció quantitativa de diferents gens i proteïnes en un sol experiment. A més a més, la seva importància radica en la capacitat d’identificar potencials dianes terapèutiques i possibles fàrmacs, així com la seva aplicació en el disseny i desenvolupament de noves eines de diagnòstic. L’aplicabilitat de les tècniques actuals, però, està limitada al nivell al que el teixit pot ser disseccionat. Si bé donen valuosa informació sobre expressió de gens i proteïnes implicades en una malaltia o en resposta a un fàrmac per exemple, en cap cas, s’obté una informació in situ ni es pot obtenir informació espacial o una resolució temporal, així com tampoc s’obté informació de sistemes in vivo. L’objectiu d’aquest projecte és desenvolupar i validar un nou microscopi, d’alta resolució, ultrasensible i de fàcil ús, que permeti tant la detecció de metabòlits, gens o proteïnes a la cèl•lula viva en temps real com l’estudi de la seva funció. Obtenint així una descripció detallada de les interaccions entre proteïnes/gens que es donen dins la cèl•lula. Aquest microscopi serà un instrument sensible, selectiu, ràpid, robust, automatitzat i de cost moderat que realitzarà processos de cribatge d’alt rendiment (High throughput screening) genètics, mèdics, químics i farmacèutics (per aplicacions diagnòstiques i de identificació i selecció de compostos actius) de manera més eficient. Per poder realitzar aquest objectius el microscopi farà ús de les més noves tecnologies: 1)la microscopia òptica i d’imatge, per millorar la visualització espaial i la sensibilitat de l’imatge; 2) la utilització de nous mètodes de detecció incloent els més moderns avanços en nanopartícules; 3) la creació de mètodes informàtics per adquirir, emmagatzemar i processar les imatges obtingudes.

An integrated approach for the assessment of HAB dynamics in two NW Mediterranean bays from a GEOHAB perspective

Alfacs and Fangar Bay in the Ebro Delta, NW Mediterranean are the major sites in Catalonia for shellfish cultivation. These bays are subject to occasional closures in shellfish harvesting due to the presence of phycotoxins. Fish kills have also been associated with harmful algal blooms. The comparison of phytoplankton dynamics in both bays offers the opportunity to reveal differences in bloom patterns of species known to be harmful for the ecosystem and aquaculture activities. Field research is underway under the GEOHAB framework within the Core Research Project on HABs in Fjords and Coastal Embayments. The overall objective of this study is to improve our understanding of HAB biogeographical patterns, and key elements driving bloom dynamics in time and space within these semi-constrained embayments. Via the comparative approach we aim to improve the prediction for monitoring purposes, with a focus on Karlodinium spp. associated with massive kills of aquaculture species. This objective is addressed by incorporating long-term time series of phytoplankton identification and enumeration with the first results of recent field work in both bays. The latter includes the application of optical sensors, to yield a complementary view with enhanced spatial and temporal resolution of bloom phenomena.

Optimized back-focal-plane interferometry directly measures forces of optically trapped particles

Back-focal-plane interferometry is used to measure displacements of optically trapped samples with very high spatial and temporal resolution. However, the technique is closely related to a method that measures the rate of change in light momentum. It has long been known that displacements of the interference pattern at the back focal plane may be used to track the optical force directly, provided that a considerable fraction of the light is effectively monitored. Nonetheless, the practical application of this idea has been limited to counter-propagating, low-aperture beams where the accurate momentum measurements are possible. Here, we experimentally show that the connection can be extended to single-beam optical traps. In particular, we show that, in a gradient trap, the calibration product κ·β (where κ is the trap stiffness and 1/β is the position sensitivity) corresponds to the factor that converts detector signals into momentum changes; this factor is uniquely determined by three construction features of the detection instrument and does not depend, therefore, on the specific conditions of the experiment. Then, we find that force measurements obtained from back-focal-plane displacements are in practice not restricted to a linear relationship with position and hence they can be extended outside that regime. Finally, and more importantly, we show that these properties are still recognizable even when the system is not fully optimized for light collection. These results should enable a more general use of back-focal-plane interferometry whenever the ultimate goal is the measurement of the forces exerted by an optical trap.

Optimized back-focal-plane interferometry directly measures forces of optically trapped particles

Back-focal-plane interferometry is used to measure displacements of optically trapped samples with very high spatial and temporal resolution. However, the technique is closely related to a method that measures the rate of change in light momentum. It has long been known that displacements of the interference pattern at the back focal plane may be used to track the optical force directly, provided that a considerable fraction of the light is effectively monitored. Nonetheless, the practical application of this idea has been limited to counter-propagating, low-aperture beams where the accurate momentum measurements are possible. Here, we experimentally show that the connection can be extended to single-beam optical traps. In particular, we show that, in a gradient trap, the calibration product κ·β (where κ is the trap stiffness and 1/β is the position sensitivity) corresponds to the factor that converts detector signals into momentum changes; this factor is uniquely determined by three construction features of the detection instrument and does not depend, therefore, on the specific conditions of the experiment. Then, we find that force measurements obtained from back-focal-plane displacements are in practice not restricted to a linear relationship with position and hence they can be extended outside that regime. Finally, and more importantly, we show that these properties are still recognizable even when the system is not fully optimized for light collection. These results should enable a more general use of back-focal-plane interferometry whenever the ultimate goal is the measurement of the forces exerted by an optical trap.

Evaluating the Performance of a Regional-Scale Photochemical Modelling System: Part I Ozone Predictions

We present a detailed evaluation of the seasonal performance of the Community Multiscale Air Quality (CMAQ) modelling system and the PSU/NCAR meteorological model coupled to a new Numerical Emission Model for Air Quality (MNEQA). The combined system simulates air quality at a fine resolution (3 km as horizontal resolution and 1 h as temporal resolution) in north-eastern Spain, where problems of ozone pollution are frequent. An extensive database compiled over two periods, from May to September 2009 and 2010, is used to evaluate meteorological simulations and chemical outputs. Our results indicate that the model accurately reproduces hourly and 1-h and 8-h maximum ozone surface concentrations measured at the air quality stations, as statistical values fall within the EPA and EU recommendations. However, to further improve forecast accuracy, three simple bias-adjustment techniques mean subtraction (MS), ratio adjustment (RA), and hybrid forecast (HF) based on 10 days of available comparisons are applied. The results show that the MS technique performed better than RA or HF, although all the bias-adjustment techniques significantly reduce the systematic errors in ozone forecasts.

Addressing Sea Surface Salinity retrieval at different spatial resolution. Feasibility study using OCCAM data within SEPS simulator and L2 processor tools

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la National Oceanography Centre of Southampton (NOCS), Gran Bretanya, entre maig i juliol del 2006. La possibilitat d’obtenir una estimació precissa de la salinitat marina (SSS) és important per a investigar i predir l’extensió del fenòmen del canvi climàtic. La missió Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) va ser seleccionada per l’Agència Espacial Europea (ESA) per a obtenir mapes de salinitat de la superfície marina a escala global i amb un temps de revisita petit. Abans del llençament de SMOS es preveu l’anàlisi de la variabilitat horitzontal de la SSS i del potencial de les dades recuperades a partir de mesures de SMOS per a reproduir comportaments oceanogràfics coneguts. L’objectiu de tot plegat és emplenar el buit existent entre les fonts de dades d’entrada/auxiliars fiables i les eines desenvolupades per a simular i processar les dades adquirides segons la configuració de SMOS. El SMOS End-to-end Performance Simulator (SEPS) és un simulador adhoc desenvolupat per la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) per a generar dades segons la configuració de SMOS. Es va utilitzar dades d’entrada a SEPS procedents del projecte Ocean Circulation and Climate Advanced Modeling (OCCAM), utilitzat al NOCS, a diferents resolucions espacials. Modificant SEPS per a poder fer servir com a entrada les dades OCCAM es van obtenir dades de temperatura de brillantor simulades durant un mes amb diferents observacions ascendents que cobrien la zona seleccionada. Les tasques realitzades durant l’estada a NOCS tenien la finalitat de proporcionar una tècnica fiable per a realitzar la calibració externa i per tant cancel•lar el bias, una metodologia per a promitjar temporalment les diferents adquisicions durant les observacions ascendents, i determinar la millor configuració de la funció de cost abans d’explotar i investigar les posibiltats de les dades SEPS/OCCAM per a derivar la SSS recuperada amb patrons d’alta resolució.

Bilinear models for spatio-temporal point distribution analysis: application to extrapolation of left ventricular, biventricular and whole heart cardiac dynamics

In this work we describe the usage of bilinear statistical models as a means of factoring the shape variability into two components attributed to inter-subject variation and to the intrinsic dynamics of the human heart. We show that it is feasible to reconstruct the shape of the heart at discrete points in the cardiac cycle. Provided we are given a small number of shape instances representing the same heart atdifferent points in the same cycle, we can use the bilinearmodel to establish this. Using a temporal and a spatial alignment step in the preprocessing of the shapes, around half of the reconstruction errors were on the order of the axial image resolution of 2 mm, and over 90% was within 3.5 mm. From this, weconclude that the dynamics were indeed separated from theinter-subject variability in our dataset.

A Small Baseline DIFSAR Approach for Investigating Deformations on Full Resolution SAR Interferograms

This paper presents a differential synthetic apertureradar (SAR) interferometry (DIFSAR) approach for investigatingdeformation phenomena on full-resolution DIFSAR interferograms.In particular, our algorithm extends the capabilityof the small-baseline subset (SBAS) technique that relies onsmall-baseline DIFSAR interferograms only and is mainly focusedon investigating large-scale deformations with spatial resolutionsof about 100 100 m. The proposed technique is implemented byusing two different sets of data generated at low (multilook data)and full (single-look data) spatial resolution, respectively. Theformer is used to identify and estimate, via the conventional SBAStechnique, large spatial scale deformation patterns, topographicerrors in the available digital elevation model, and possibleatmospheric phase artifacts; the latter allows us to detect, onthe full-resolution residual phase components, structures highlycoherent over time (buildings, rocks, lava, structures, etc.), as wellas their height and displacements. In particular, the estimation ofthe temporal evolution of these local deformations is easily implementedby applying the singular value decomposition technique.The proposed algorithm has been tested with data acquired by theEuropean Remote Sensing satellites relative to the Campania area(Italy) and validated by using geodetic measurements.

Creating the Gorizia-Goriska euroregion: an European cross-border administrative model for integrated socio-economic development in the upper adriatic. Crossborder co-operation as a tool for trans-national integration and conflict resolution

Contribució al Seminari: "Les Euroregions: Experiències i aprenatges per a l’Euroregió Pirineus-Mediterrània", 15-16 de desembre de 2005

Estudi i revalorització dels paisatges culturals de l'alta muntanya pirinenca: la vall del Madriu (Andorra), patrimoni de la humanitat de la UNESCO

Estudi arqueològic integrat de la vall del Madriu-Perafita-Claror (Andorra) iniciat al 2004 sota la coordinació de l’ICAC. L’estudi s’insereix en la declaració de la vall com a Patrimoni de la Humanitat (UNESCO). Las recerques s’enfoquen des de l’Arqueologia del Paisatge, de manera diacrònica i pluridisciplinar, fent especial atenció a les relacions de les societats amb el medi. Les restes arqueològiques treballades s’associen a activitats ramaderes, metal•lúrgiques i de carboneig. La recerca paleoecològica se centra en sediments lacustres, torbosos i arqueològics. L’any 2006, s’han analitzat a alta resolució temporal dues seqüencies palinològiques: l’estany Blau (2471 m) i la torbera de Bosc dels Estanyons (2180 m), obtenint les principals fases d’explotació i antropització d’aquest espai altimontà, així com l’evolució del paisatge en els darrers 11000 anys . La campanya de camp s’ha centrat en l’obtenció de mostres de pluja pol•línica referencial a la vall i en el sondatge de l’estany Forcat (2539 m). Un total de tres mostres han estat enviades a datar per C14. Els treballs arqueològics s’han centrat en l’excavació de sondejos de diagnòstic als jaciments de Basses de Setut (2325 m) i Pleta de les Bacives ( 2530 m) i en la realització de prospeccions a les capçaleres de les valls de Madriu, Perafita i Claror. S’han documentat estructures arqueològiques i s’han realitzat estudis antracològics dels sediments excavats en aquestes. S’ha realitzat un transecte altitudinal de carboneres al llarg de la vall per tal de enregistrar una major diversitat cronològica dels espais de carboneig. S’han enviat datacions C14 per tal de determinar la cronologia de les estructures. Les datacions del 2005 mostren una intensa ocupació ramadera i de carboneig a partir del segle XIV, en època baixmedieval i moderna, així com un establiment metal·lúrgic d’època romana.

Developing discontinuous Galerkin methods for the resolution of the incompressible Navier-Stokes equations

Informe de investigación elaborado a partir de una estancia en el Laboratorio de Diseño Computacional en Aeroespacial en el Massachusetts Institute of Technology (MIT), Estados Unidos, entre noviembre de 2006 y agosto de 2007. La aerodinámica es una rama de la dinámica de fluidos referida al estudio de los movimientos de los líquidos o gases, cuya meta principal es predecir las fuerzas aerodinámicas en un avión o cualquier tipo de vehículo, incluyendo los automóviles. Las ecuaciones de Navier-Stokes representan un estado dinámico del equilibrio de las fuerzas que actúan en cualquier región dada del fluido. Son uno de los sistemas de ecuaciones más útiles porque describen la física de una gran cantidad de fenómenos como corrientes del océano, flujos alrededor de una superficie de sustentación, etc. En el contexto de una tesis doctoral, se está estudiando un flujo viscoso e incompresible, solucionando las ecuaciones de Navier- Stokes incompresibles de una manera eficiente. Durante la estancia en el MIT, se ha utilizado un método de Galerkin discontinuo para solucionar las ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles usando, o bien un parámetro de penalti para asegurar la continuidad de los flujos entre elementos, o bien un método de Galerkin discontinuo compacto. Ambos métodos han dado buenos resultados y varios ejemplos numéricos se han simulado para validar el buen comportamiento de los métodos desarrollados. También se han estudiado elementos particulares, los elementos de Raviart y Thomas, que se podrían utilizar en una formulación mixta para obtener un algoritmo eficiente para solucionar problemas numéricos complejos.

Variabilitat temporal i geogràfica i caracterització química de la contaminació atmosfèrica particulada a Sabadell

Estudi de 3 punts amb diferent intensitat de trànsit a Sabadell: punt de trànsit, fons urbà i fons suburbà. Nivells de PM i altres gasos contaminants van ser mesurats durant 1 mes. Els objectius principals són la correlació dels nivells de partícules i NOx als 3 punts d’estudi (ja que als estudis epidemiològics s’utilitza NO2 com a indicador del nivell de partícules); la caracterització química de les partícules per determinar quina porció té origen en les emissions dels tubs d’escapament i identificar similituds i diferències entre els nivells i composició de partícules entre les diferents estacions seleccionades.