Analysis and modeling techniques for ultrasonic tissue characterization

This thesis introduces new processing techniques for computer-aided interpretation of ultrasound images with the purpose of supporting medical diagnostic. In terms of practical application, the goal of this work is the improvement of current prostate biopsy protocols by providing physicians with a visual map overlaid over ultrasound images marking regions potentially affected by disease. As far as analysis techniques are concerned, the main contributions of this work to the state-of-the-art is the introduction of deconvolution as a pre-processing step in the standard ultrasonic tissue characterization procedure to improve the diagnostic significance of ultrasonic features. This thesis also includes some innovations in ultrasound modeling, in particular the employment of a continuous-time autoregressive moving-average (CARMA) model for ultrasound signals, a new maximum-likelihood CARMA estimator based on exponential splines and the definition of CARMA parameters as new ultrasonic features able to capture scatterers concentration. Finally, concerning the clinical usefulness of the developed techniques, the main contribution of this research is showing, through a study based on medical ground truth, that a reduction in the number of sampled cores in standard prostate biopsy is possible, preserving the same diagnostic power of the current clinical protocol.

Influenza della variabilità spaziale sul trasporto reattivo

La tesi ha per obiettivo di quantificare gli effetti che la variabilità spaziale del mezzo poroso ha sull'evoluzione di un sistema geochimico. Le reazioni di dissoluzione o precipiazione di minerali modificano la struttura microscopica del mezzo, e con essa le proprietà idrodinamiche del sistema, la permeabilità in modo particolare. La variabilità spaziale iniziale del mezzo può essere causa della formazione di digitazioni o canalizzazioni? La prima parte della tesi tratta il cambiamento di scala, necessario per passare da una simulazione geostatistica su griglia fine al calcolo di trasporto su una tessellazione più grossolana. Nel caso del codice di calcolo Hytec, che implementa uno schema ai volumi finiti basato su discretizzazione in poligoni di Voronoï, sono stati confrontati diversi metodi di calcolo della permeabilità equivalente, seguendo differenti criteri. La seconda parte riguarda i calcoli di trasporto reattivo condotti su famiglie di simulazioni geostatistiche del mezzo; l'influenza della variabilità spaziale iniziale sull'evoluzione dei sistemi viene quantificata grazie ad opportune grandezze osservabili. Sono state studiate due reazioni distinte: un caso di dissoluzione, in maniera più approfondita, e più rapidamente un caso di precipitazione, il cui effetto complessivo è quello di riequilibrare il sistema.