Estimation of the viscoelastic properties of vessel walls using a computational model and Doppler ultrasound

Human arteries affected by atherosclerosis are characterized by altered wall viscoelastic properties. The possibility of noninvasively assessing arterial viscoelasticity in vivo would significantly contribute to the early diagnosis and prevention of this disease. This paper presents a noniterative technique to estimate the viscoelastic parameters of a vascular wall Zener model. The approach requires the simultaneous measurement of flow variations and wall displacements, which can be provided by suitable ultrasound Doppler instruments. Viscoelastic parameters are estimated by fitting the theoretical constitutive equations to the experimental measurements using an ARMA parameter approach. The accuracy and sensitivity of the proposed method are tested using reference data generated by numerical simulations of arterial pulsation in which the physiological conditions and the viscoelastic parameters of the model can be suitably varied. The estimated values quantitatively agree with the reference values, showing that the only parameter affected by changing the physiological conditions is viscosity, whose relative error was about 27% even when a poor signal-to-noise ratio is simulated. Finally, the feasibility of the method is illustrated through three measurements made at different flow regimes on a cylindrical vessel phantom, yielding a parameter mean estimation error of 25%.

Mophological analysis of the human vasculature from medical imaging. Application to cerebral and coranary arteries

In this project, we have investigated new ways of modelling and analysis of human vasculature from Medical images. The research was divided in two main areas: cerebral vasculature analysis and coronary arteries modeling. Regarding cerebral vasculature analysis, we have studed cerebral aneurysms, internal carotid and the Circle of Willis (CoW). Aneurysms are abnormal vessel enlargements that can rupture causing important cerebral damages or death. The understanding of this pathology, together with its virtual treatment, and image diagnosis and prognosis, includes identification and detailed measurement of the aneurysms. In this context, we have proposed two automatic aneurysm isolation method, to separate the abnormal part of the vessel from the healthy part, to homogenize and speed-up the processing pipeline usually employed to study this pathology, [Cardenes2011TMI, arrabide2011MedPhys]. The results obtained from both methods have been also compared and validatied in [Cardenes2012MBEC]. A second important task here the analysis of the internal carotid [Bogunovic2011Media] and the automatic labelling of the CoW, Bogunovic2011MICCAI, Bogunovic2012TMI]. The second area of research covers the study of coronary arteries, specially coronary bifurcations because there is where the formation of atherosclerotic plaque is more common, and where the intervention is more challenging. Therefore, we proposed a novel modelling method from Computed Tomography Angiography (CTA) images, combined with Conventional Coronary Angiography (CCA), to obtain realistic vascular models of coronary bifurcations, presented in [Cardenes2011MICCAI], and fully validated including phantom experiments in [Cardene2013MedPhys]. The realistic models obtained from this method are being used to simulate stenting procedures, and to investigate the hemodynamic variables in coronary bifurcations in the works submitted in [Morlachi2012, Chiastra2012]. Additionally, another preliminary work has been done to reconstruct the coronary tree from rotational angiography, and published in [Cardenes2012ISBI].

Dynamic estimation of three-dimensional cerebrovascular deformation from rotational angiography

Purpose: The objective of this study is to investigate the feasibility of detecting and quantifying 3D cerebrovascular wall motion from a single 3D rotational x-ray angiography (3DRA) acquisition within a clinically acceptable time and computing from the estimated motion field for the further biomechanical modeling of the cerebrovascular wall. Methods: The whole motion cycle of the cerebral vasculature is modeled using a 4D B-spline transformation, which is estimated from a 4D to 2D + t image registration framework. The registration is performed by optimizing a single similarity metric between the entire 2D + t measured projection sequence and the corresponding forward projections of the deformed volume at their exact time instants. The joint use of two acceleration strategies, together with their implementation on graphics processing units, is also proposed so as to reach computation times close to clinical requirements. For further characterizing vessel wall properties, an approximation of the wall thickness changes is obtained through a strain calculation. Results: Evaluation on in silico and in vitro pulsating phantom aneurysms demonstrated an accurate estimation of wall motion curves. In general, the error was below 10% of the maximum pulsation, even in the situation when substantial inhomogeneous intensity pattern was present. Experiments on in vivo data provided realistic aneurysm and vessel wall motion estimates, whereas in regions where motion was neither visible nor anatomically possible, no motion was detected. The use of the acceleration strategies enabled completing the estimation process for one entire cycle in 5-10 min without degrading the overall performance. The strain map extracted from our motion estimation provided a realistic deformation measure of the vessel wall. Conclusions: The authors' technique has demonstrated that it can provide accurate and robust 4D estimates of cerebrovascular wall motion within a clinically acceptable time, although it has to be applied to a larger patient population prior to possible wide application to routine endovascular procedures. In particular, for the first time, this feasibility study has shown that in vivo cerebrovascular motion can be obtained intraprocedurally from a 3DRA acquisition. Results have also shown the potential of performing strain analysis using this imaging modality, thus making possible for the future modeling of biomechanical properties of the vascular wall.

EULAR recommendations for the management of large-vessel vasculitis.

Objectives: To develop European League Against Rheumatism (EULAR) recommendations for the management of large vessel vasculitis. Methods: An expert group (10 rheumatologists, 3 nephrologists, 2 immunolgists, 2 internists representing 8 European countries and the USA, a clinical epidemiologist and a representative from a drug regulatory agency) identified 10 topics for a systematic literature search through a modified Delphi technique. In accordance with standardised EULAR operating procedures, recommendations were derived for the management of large vessel vasculitis. In the absence of evidence, recommendations were formulated on the basis of a consensus opinion. Results: Seven recommendations were made relating to the assessment, investigation and treatment of patients with large vessel vasculitis. The strength of recommendations was restricted by the low level of evidence and EULAR standardised operating procedures. Conclusions: On the basis of evidence and expert consensus, management recommendations for large vessel vasculitis have been formulated and are commended for use in everyday clinical practice.

EULAR recommendations for the management of primary small and medium vessel vasculitis.

Objectives: To develop European League Against Rheumatism (EULAR) recommendations for the management of small and medium vessel vasculitis. Methods: An expert group (consisting of 10 rheumatologists, 3 nephrologists, 2 immunologists, 2 internists representing 8 European countries and the USA, a clinical epidemiologist and a representative from a drug regulatory agency) identified 10 topics for a systematic literature search using a modified Delphi technique. In accordance with standardised EULAR operating procedures, recommendations were derived for the management of small and medium vessel vasculitis. In the absence of evidence, recommendations were formulated on the basis of a consensus opinion. Results: In all, 15 recommendations were made for the management of small and medium vessel vasculitis. The strength of recommendations was restricted by low quality of evidence and by EULAR standardised operating procedures. Conclusions: On the basis of evidence and expert consensus, recommendations have been made for the evaluation, investigation, treatment and monitoring of patients with small and medium vessel vasculitis for use in everyday clinical practice.

Una arqueometria del canvi tecnològic: producció i consum d'àmfores durant el canvi d'era en la zona nord de la costa catalana

L’objectiu de la recerca és definir un marc teòric i metodològic per a l’estudi del canvi tecnològic en Arqueologia. Aquest model posa èmfasi en caracteritzar els compromisos que configuren una tecnologia i avaluar-los en funció dels factors de situació —tècnics, econòmics, polítics, socials i ideològics. S’ha aplicat aquest model a un cas d’estudi concret: la producció d’àmfores romanes durant el canvi d’Era en la província Tarraconensis. L’estudi tecnològic dels envasos s’ha realitzat mitjançant diverses tècniques analítiques: Fluorescència de raigs X (FRX), Difracció de raigs X (DRX), Microscòpia òptica (MO) i Microscòpia electrònica de rastreig (MER). Les dades obtingudes permeten, a més, establir els grups de referència per a cada centre productor d’àmfores i, així, identificar la provinença dels individus recuperats en els centres consumidors. Donat que les àmfores en estudi són artefactes dissenyats específicament per a ser estibats en una nau i servir com a envàs de transport, l’estudi inclou la caracterització de les propietats mecàniques de resistència a la fractura i de tenacitat. En aquest sentit, i per primera vegada, s’ha aplicat l’Anàlisi d’Elements Finits (AEF) per a conèixer el comportament dels diferents dissenys d’àmfora en ésser sotmesos a diverses forces d’ús. L’AEF permet simular per ordinador les activitats en què les àmfores haurien participat durant el seu ús i avaluar-ne el seu comportament tècnic. Els resultats mostren una gran adequació entre les formulacions teòriques i el programa analític implementat per a aquest estudi. Respecte el cas d’estudi, els resultats mostren una gran variabilitat en les eleccions tecnològiques preses pels ceramistes de diferents tallers, però també al llarg del període de funcionament d’un mateix taller. L’aplicació del model ha permès proposar una explicació al canvi de disseny de les àmfores romanes.

Caracteritació de models funcionals d'àmfores romanes mitjançant Finite Element Analysis

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada al Laboratory of Archaeometry del National Centre of Scientific Research “Demokritos” d’Atenes, Grècia, entre juny i setembre 2006. Aquest estudi s’emmarca dins d’un context més ampli d’estudi del canvi tecnològic que es documenta en la producció d’àmfores de tipologia romana durant els segles I aC i I dC en els territoris costaners de Catalunya. Una part d’aquest estudi contempla el càlcul de les propietats mecàniques d’aquestes àmfores i la seva avaluació en funció de la tipologia amforal, a partir de l’Anàlisi d’Elements Finits (AEF). L’AEF és una aproximació numèrica que té el seu origen en les ciències d’enginyeria i que ha estat emprada per estimar el comportament mecànic d’un model en termes, per exemple, de deformació i estrès. Així, un objecte, o millor dit el seu model, es dividit en sub-dominis anomenats elements finits, als quals se’ls atribueixen les propietats mecàniques del material en estudi. Aquests elements finits estan connectats formant una xarxa amb constriccions que pot ser definida. En el cas d’aplicar una força determinada a un model, el comportament de l’objecte pot ser estimat mitjançant el conjunt d’equacions lineals que defineixen el rendiment dels elements finits, proporcionant una bona aproximació per a la descripció de la deformació estructural. Així, aquesta simulació per ordinador suposa una important eina per entendre la funcionalitat de ceràmiques arqueològiques. Aquest procediment representa un model quantitatiu per predir el trencament de l’objecte ceràmic quan aquest és sotmès a diferents condicions de pressió. Aquest model ha estat aplicat a diferents tipologies amforals. Els resultats preliminars mostren diferències significatives entre la tipologia pre-romana i les tipologies romanes, així com entre els mateixos dissenys amforals romans, d’importants implicacions arqueològiques.

Anàlisi de radiació en vaixells i disseny d'una antena en la banda d'HF

El projecte està dividit en dues parts, per una banda l’anàlisi de radiació en vaixells i per altra banda el disseny d’una antena en la banda d’ HF. La primera part s’inicia amb un estudi de l’escenari marítim a nivell de comunicacions, vaixells i antenes i, a continuació, s’estudia el camp proper sobre les superfícies del vaixell per al posicionament d’antenes amb el màxim aïllament. La segona part tracta el disseny d’una antena en HF a 6 MHz partint d’una antena tipus ranura, de baix perfil. Per validar el seu funcionament es construeix i mesura un prototipus en la banda d’UHF (2 GHz).

De la baja de un buque de la Armada como recurso socio-económico y ambiental: estrategias para la cohesión y formación del tejido social, el futuro pesquero y la protección ambiental

En la actualidad, la Armada española cuenta con un total de 103 buques (LOBA, 2009). Cada uno de ellos tiene una misión específica de acuerdo a sus características. Dicha misión condicionará la vida útil del navío. Cuando un buque es dado de baja, surgen las siguientes preguntas: ¿Qué hacer con ellos? ¿Tienen alguna utilidad? ¿Generan un impacto ambiental? En este proyecto, se presentan diferentes propuestas que tienen como finalidad obtener el mayor beneficio del recurso. Cada una de ellas buscará el máximo rédito en aspectos como la cohesión en el tejido social y la socio-economía de una zona determinada y la protección del medio marino junto al futuro de la pesca de arrastre en nuestro país. A lo largo del trabajo, se verá la dificultad de desguazar buques con gran eslora en nuestros astilleros, así como también los problemas administrativos y políticos a los que se enfrentan asociaciones y ayuntamientos que quieren adquirir un buque, para convertirlo en un museo o en un pecio, respectivamente. El objetivo principal es dar a conocer cuál es la situación, pero sin entrar a determinar qué opción sería mejor para cada tipo de navío.

Epidemilogia de la Influença porcina

La influenza es una enfermedad de gran importancia debido a su impacto sanitario y social. La especie porcina tiene importancia epidemiológica debido a su capacidad de actuar como eslabón adaptando los virus aviares a los mamíferos. Un mejor conocimiento de la enfermedad en la especie porcina permitirá definir mejor los métodos de lucha frente la enfermedad tanto en la especie humana como en la porcina. En el presente proyecto se pretende determinar los subtipos de virus influenza actualmente presentes en la cabaña porcina de España y estimar su seroprevalencia, así como estudiar los factores de riesgo que predisponen a la presencia de los virus influenza en las granjas de porcino. Para ello, se realizará una encuesta seroepidemiológica en la que se recogerán muestras de suero de animales de distintas edades (cerdas y cerdos de engorde) y se reunirán datos correspondientes a las características de las distintas explotaciones mediante una encuesta epidemiológica. Por otro lado, y con el fin de determinar la dinámica de infección de la enfermedad, se llevará a cabo un estudio longitudinal en dos explotaciones de ciclo cerrado seropositivas frente a Influenza porcina. En éstas explotaciones se recogerán muestras de suero y de hisopos nasales de un lote entero de producción, en intervalos que oscilarán de semanalmente a mensualmente. Los animales se muestrearan desde las tres semanas de vida hasta que sean enviados al matadero (aproximadamente a los 6 meses de vida). A partir de las muestras obtenidas se realizaran pruebas diagnósticas de carácter virológico y serológico. Este estudio aportará información acerca de la diseminación de los virus influenza en las explotaciones de cerdos, por lo que refiere a su comportamiento endémico/epidémico, clinico/subclínico, etc.

Web de control de tráfico marítimo

El proyecto Web de Control de Tráfico Marítimo (WCTM) un proyecto Web que va a gestionar información útil para el Control del Tráfico Marítimo de una determinada zona del mundo. Usa el concepto de arquitectura SOA, una arquitectura que se basa en los servicios Web, proporciona en tiempo real información sobre los buques usando los mapas de Google.

Hypoxia and vasculature in models of lung cancer: implications for targeted therapeutics

Estudi realitzat a partir d’una estada a la Stanford University School of Medicine. Division of Radiation Oncology, Estats Units, entre 2010 i 2012. Durant els dos anys de beca postdoctoral he estat treballant en dos projectes diferents. En primer lloc, i com a continuació d'estudis previs del grup, volíem estudiar la causa de les diferències en nivells d'hipòxia que havíem observat en models de càncer de pulmó. La nostra hipòtesi es basava en el fet que aquestes diferències es devien a la funcionalitat de la vasculatura. Vam utilitzar dos models preclínics: un en què els tumors es formaven espontàniament als pulmons i l'altre on nosaltres injectàvem les cèl•lules de manera subcutània. Vam utilitzar tècniques com la ressonància magnètica dinàmica amb agent de contrast (DCE-MRI) i l'assaig de perfusió amb el Hoeschst 33342 i ambdues van demostrar que la funcionalitat de la vasculatura dels tumors espontanis era molt més elevada comparada amb la dels tumors subcutanis. D'aquest estudi, en podem concloure que les diferències en els nivells d'hipòxia en els diferents models tumorals de càncer de pulmó podrien ser deguts a la variació en la formació i funcionalitat de la vasculatura. Per tant, la selecció de models preclínics és essencial, tant pels estudi d'hipòxia i angiogènesi, com per a teràpies adreçades a aquests fenòmens. L'altre projecte que he estat desenvolupant es basa en l'estudi de la radioteràpia i els seus possibles efectes a l’hora de potenciar l'autoregeneració del tumor a partir de les cèl•lules tumorals circulants (CTC). Aquest efecte s'ha descrit en alguns models tumorals preclínics. Per tal de dur a terme els nostres estudis, vam utilitzar una línia tumoral de càncer de mama de ratolí, marcada permanentment amb el gen de Photinus pyralis o sense marcar i vam fer estudis in vitro i in vivo. Ambdós estudis han demostrat que la radiació tumoral promou la invasió cel•lular i l'autoregeneració del tumor per CTC. Aquest descobriment s'ha de considerar dins d'un context de radioteràpia clínica per tal d'aconseguir el millor tractament en pacients amb nivells de CTC elevats.

Automated Segmentation of Cerebral Vasculature with Aneurysms in 3DRA and TOF-MRA using Geodesic Active Regions: an Evaluation Study

Purpose: To evaluate the suitability of an improved version of an automatic segmentation method based on geodesic active regions (GAR) for segmenting cerebral vasculature with aneurysms from 3D X-ray reconstruc-tion angiography (3DRA) and time of °ight magnetic resonance angiography (TOF-MRA) images available in the clinical routine.Methods: Three aspects of the GAR method have been improved: execution time, robustness to variability in imaging protocols and robustness to variability in image spatial resolutions. The improved GAR was retrospectively evaluated on images from patients containing intracranial aneurysms in the area of the Circle of Willis and imaged with two modalities: 3DRA and TOF-MRA. Images were obtained from two clinical centers, each using di®erent imaging equipment. Evaluation included qualitative and quantitative analyses ofthe segmentation results on 20 images from 10 patients. The gold standard was built from 660 cross-sections (33 per image) of vessels and aneurysms, manually measured by interventional neuroradiologists. GAR has also been compared to an interactive segmentation method: iso-intensity surface extraction (ISE). In addition, since patients had been imaged with the two modalities, we performed an inter-modality agreement analysis with respect to both the manual measurements and each of the two segmentation methods. Results: Both GAR and ISE di®ered from the gold standard within acceptable limits compared to the imaging resolution. GAR (ISE, respectively) had an average accuracy of 0.20 (0.24) mm for 3DRA and 0.27 (0.30) mm for TOF-MRA, and had a repeatability of 0.05 (0.20) mm. Compared to ISE, GAR had a lower qualitative error in the vessel region and a lower quantitative error in the aneurysm region. The repeatabilityof GAR was superior to manual measurements and ISE. The inter-modality agreement was similar between GAR and the manual measurements. Conclusions: The improved GAR method outperformed ISE qualitatively as well as quantitatively and is suitable for segmenting 3DRA and TOF-MRA images from clinical routine.

Deployment of self-expandable stents in aneurysmatic cerebral vessels: comparison of different computational approaches for interventional planning

In the last few years, there has been a growing focus on faster computational methods to support clinicians in planning stenting procedures. This study investigates the possibility of introducing computational approximations in modelling stent deployment in aneurysmatic cerebral vessels to achieve simulations compatible with the constraints of real clinical workflows. The release of a self-expandable stent in a simplified aneurysmatic vessel was modelled in four different initial positions. Six progressively simplified modelling approaches (based on Finite Element method and Fast Virtual Stenting – FVS) have been used. Comparing accuracy of the results, the final configuration of the stent is more affected by neglecting mechanical properties of materials (FVS) than by adopting 1D instead of 3D stent models. Nevertheless, the differencesshowed are acceptable compared to those achieved by considering different stent initial positions. Regarding computationalcosts, simulations involving 1D stent features are the only ones feasible in clinical context.

Morphodynamic analysis of cerebral aneurysm pulsation from time-resolved rotational angiography

This paper presents a technique to estimate and model patient-specific pulsatility of cerebral aneurysms over onecardiac cycle, using 3D rotational X-ray angiography (3DRA) acquisitions. Aneurysm pulsation is modeled as a time varying-spline tensor field representing the deformation applied to a reference volume image, thus producing the instantaneousmorphology at each time point in the cardiac cycle. The estimated deformation is obtained by matching multiple simulated projections of the deforming volume to their corresponding original projections. A weighting scheme is introduced to account for the relevance of each original projection for the selected time point. The wide coverage of the projections, together with the weighting scheme, ensures motion consistency in all directions. The technique has been tested on digital and physical phantoms that are realistic and clinically relevant in terms of geometry, pulsation and imaging conditions. Results from digital phantomexperiments demonstrate that the proposed technique is able to recover subvoxel pulsation with an error lower than 10% of the maximum pulsation in most cases. The experiments with the physical phantom allowed demonstrating the feasibility of pulsation estimation as well as identifying different pulsation regions under clinical conditions.