Class-specific metrics for multidimensional data projection applied to CBIR

Content-based image retrieval is still a challenging issue due to the inherent complexity of images and choice of the most discriminant descriptors. Recent developments in the field have introduced multidimensional projections to burst accuracy in the retrieval process, but many issues such as introduction of pattern recognition tasks and deeper user intervention to assist the process of choosing the most discriminant features still remain unaddressed. In this paper, we present a novel framework to CBIR that combines pattern recognition tasks, class-specific metrics, and multidimensional projection to devise an effective and interactive image retrieval system. User interaction plays an essential role in the computation of the final multidimensional projection from which image retrieval will be attained. Results have shown that the proposed approach outperforms existing methods, turning out to be a very attractive alternative for managing image data sets.

Utilization of fringe projection technique for evaluation of wound dimensions and of healing progress.

Background: The methods used for evaluating wound dimensions, especially the chronic ones, are invasive and inaccurate. The fringe projection technique with phase shift is a non-invasive, accurate and low-cost optical method. Objective: The aim is to validate the technique through the determination of dimensions of objects of known topography and with different geometries and colors to simulate the wounds and tones of skin color. Taking into account the influence of skin wound optical factors, the technique will be used to evaluate actual patients’ wound dimensions and to study its limitations in this application. Methods: Four sinusoidal fringe patterns, displaced ¼ of period each, were projected onto the objects surface. The object dimensions were obtained from the unwrapped phase map through the observation of the fringe deformations caused by the object topography and using phase shift analysis. An object with simple geometry was used for dimensional calibration and the topographic dimensions of the others were determined from it. After observing the compatibility with the data and validating the method, it was used for measuring the dimensions of real patients’ wounds. Results and Conclusions: The discrepancies between actual topography and dimensions determined with Fringe Projection Technique and for the known object were lower than 0.50 cm. The method was successful in obtaining the topography of real patient’s wounds. Objects and wounds with sharp topographies or causing shadow or reflection are difficult to be evaluated with this technique.

A projection into the ideas and technologies of "non-place" and "space of flow" in urban context

The meaning of a place has been commonly assigned to the quality of having root (rootedness) or sense of belonging to that setting. While on the contrary, people are nowadays more concerned with the possibilities of free moving and networks of communication. So, the meaning, as well as the materiality of architecture has been dramatically altered with these forces. It is therefore of significance to explore and redefine the sense and the trend of architecture at the age of flow. In this dissertation, initially, we review the gradually changing concept of "place-non-place" and its underlying technological basis. Then we portray the transformation of meaning of architecture as influenced by media and information technology and advanced methods of mobility, in the dawn of 21st century. Against such backdrop, there is a need to sort and analyze architectural practices in response to the triplet of place-non-place and space of flow, which we plan to achieve conclusively. We also trace the concept of flow in the process of formation and transformation of old cities. As a brilliant case study, we look at Persian Bazaar from a socio-architectural point of view. In other word, based on Robert Putnam's theory of social capital, we link social context of the Bazaar with architectural configuration of cities. That is how we believe "cities as flow" are not necessarily a new paradigm.

Realizzazione di un'applicazione di Projection Mapping con OpenFrameworks

Il Projection Mapping è una tecnologia che permette di proiettare delle immagini sulla superficie di uno o più oggetti, anche di forma irregolare, trasformandoli in display interattivi. Il suo utilizzo, abbinato a suoni e musiche, permette di creare una narrazione audio-visuale. La suggestione e l’emozione scaturite dalla visione di una performance di Projection Mapping su di un monumento pubblico, hanno stimolato la mia curiosità e mi hanno spinto a cercare di capire se era possibile realizzare autonomamente qualcosa di analogo. Obiettivo di questa tesi è perciò spiegare cos’è il Projection Mapping e fornire una serie di indicazioni utili per realizzarne un’applicazione interattiva con OpenFrameworks (un framework open-source in C++) e hardware a basso costo (un computer, un videoproiettore e un sensore Kinect).

Image quality and dose evaluation of filtered back projection versus iterative reconstruction algorithm in multislice computed tomography.

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico Sant'Orsola-Malpighi di Bologna. Lo studio si è concentrato sul confronto tra le tecniche di ricostruzione standard (Filtered Back Projection, FBP) e quelle iterative in Tomografia Computerizzata. Il lavoro è stato diviso in due parti: nella prima è stata analizzata la qualità delle immagini acquisite con una CT multislice (iCT 128, sistema Philips) utilizzando sia l'algoritmo FBP sia quello iterativo (nel nostro caso iDose4). Per valutare la qualità delle immagini sono stati analizzati i seguenti parametri: il Noise Power Spectrum (NPS), la Modulation Transfer Function (MTF) e il rapporto contrasto-rumore (CNR). Le prime due grandezze sono state studiate effettuando misure su un fantoccio fornito dalla ditta costruttrice, che simulava la parte body e la parte head, con due cilindri di 32 e 20 cm rispettivamente. Le misure confermano la riduzione del rumore ma in maniera differente per i diversi filtri di convoluzione utilizzati. Lo studio dell'MTF invece ha rivelato che l'utilizzo delle tecniche standard e iterative non cambia la risoluzione spaziale; infatti gli andamenti ottenuti sono perfettamente identici (a parte le differenze intrinseche nei filtri di convoluzione), a differenza di quanto dichiarato dalla ditta. Per l'analisi del CNR sono stati utilizzati due fantocci; il primo, chiamato Catphan 600 è il fantoccio utilizzato per caratterizzare i sistemi CT. Il secondo, chiamato Cirs 061 ha al suo interno degli inserti che simulano la presenza di lesioni con densità tipiche del distretto addominale. Lo studio effettuato ha evidenziato che, per entrambi i fantocci, il rapporto contrasto-rumore aumenta se si utilizza la tecnica di ricostruzione iterativa. La seconda parte del lavoro di tesi è stata quella di effettuare una valutazione della riduzione della dose prendendo in considerazione diversi protocolli utilizzati nella pratica clinica, si sono analizzati un alto numero di esami e si sono calcolati i valori medi di CTDI e DLP su un campione di esame con FBP e con iDose4. I risultati mostrano che i valori ricavati con l'utilizzo dell'algoritmo iterativo sono al di sotto dei valori DLR nazionali di riferimento e di quelli che non usano i sistemi iterativi.

Implementazione dell'algoritmo filtered back-projection (FBP) per architetture low-power di tipo systems-on-chip

Il presente lavoro di tesi, svolto presso i laboratori dell'X-ray Imaging Group del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Bologna e all'interno del progetto della V Commissione Scientifica Nazionale dell'INFN, COSA (Computing on SoC Architectures), ha come obiettivo il porting e l’analisi di un codice di ricostruzione tomografica su architetture GPU installate su System-On-Chip low-power, al fine di sviluppare un metodo portatile, economico e relativamente veloce. Dall'analisi computazionale sono state sviluppate tre diverse versioni del porting in CUDA C: nella prima ci si è limitati a trasporre la parte più onerosa del calcolo sulla scheda grafica, nella seconda si sfrutta la velocità del calcolo matriciale propria del coprocessore (facendo coincidere ogni pixel con una singola unità di calcolo parallelo), mentre la terza è un miglioramento della precedente versione ottimizzata ulteriormente. La terza versione è quella definitiva scelta perché è la più performante sia dal punto di vista del tempo di ricostruzione della singola slice sia a livello di risparmio energetico. Il porting sviluppato è stato confrontato con altre due parallelizzazioni in OpenMP ed MPI. Si è studiato quindi, sia su cluster HPC, sia su cluster SoC low-power (utilizzando in particolare la scheda quad-core Tegra K1), l’efficienza di ogni paradigma in funzione della velocità di calcolo e dell’energia impiegata. La soluzione da noi proposta prevede la combinazione del porting in OpenMP e di quello in CUDA C. Tre core CPU vengono riservati per l'esecuzione del codice in OpenMP, il quarto per gestire la GPU usando il porting in CUDA C. Questa doppia parallelizzazione ha la massima efficienza in funzione della potenza e dell’energia, mentre il cluster HPC ha la massima efficienza in velocità di calcolo. Il metodo proposto quindi permetterebbe di sfruttare quasi completamente le potenzialità della CPU e GPU con un costo molto contenuto. Una possibile ottimizzazione futura potrebbe prevedere la ricostruzione di due slice contemporaneamente sulla GPU, raddoppiando circa la velocità totale e sfruttando al meglio l’hardware. Questo studio ha dato risultati molto soddisfacenti, infatti, è possibile con solo tre schede TK1 eguagliare e forse a superare, in seguito, la potenza di calcolo di un server tradizionale con il vantaggio aggiunto di avere un sistema portatile, a basso consumo e costo. Questa ricerca si va a porre nell’ambito del computing come uno tra i primi studi effettivi su architetture SoC low-power e sul loro impiego in ambito scientifico, con risultati molto promettenti.

A Portable Image Overlay Projection Device for Computer-Aided Open Liver Surgery

Image overlay projection is a form of augmented reality that allows surgeons to view underlying anatomical structures directly on the patient surface. It improves intuitiveness of computer-aided surgery by removing the need for sight diversion between the patient and a display screen and has been reported to assist in 3-D understanding of anatomical structures and the identification of target and critical structures. Challenges in the development of image overlay technologies for surgery remain in the projection setup. Calibration, patient registration, view direction, and projection obstruction remain unsolved limitations to image overlay techniques. In this paper, we propose a novel, portable, and handheld-navigated image overlay device based on miniature laser projection technology that allows images of 3-D patient-specific models to be projected directly onto the organ surface intraoperatively without the need for intrusive hardware around the surgical site. The device can be integrated into a navigation system, thereby exploiting existing patient registration and model generation solutions. The position of the device is tracked by the navigation system’s position sensor and used to project geometrically correct images from any position within the workspace of the navigation system. The projector was calibrated using modified camera calibration techniques and images for projection are rendered using a virtual camera defined by the projectors extrinsic parameters. Verification of the device’s projection accuracy concluded a mean projection error of 1.3 mm. Visibility testing of the projection performed on pig liver tissue found the device suitable for the display of anatomical structures on the organ surface. The feasibility of use within the surgical workflow was assessed during open liver surgery. We show that the device could be quickly and unobtrusively deployed within the sterile environment.

A tool for the qualitative comparison of membrane-embedded and detergent-solubilized membrane protein structures in projection

The calculation of projection structures (PSs) from Protein Data Bank (PDB)-coordinate files of membrane proteins is not well-established. Reports on such attempts exist but are rare. In addition, the different procedures are barely described and thus difficult if not impossible to reproduce. Here we present a simple, fast and well-documented method for the calculation and visualization of PSs from PDB-coordinate files of membrane proteins: the projection structure visualization (PSV)-method. The PSV-method was successfully validated using the PS of aquaporin-1 (AQP1) from 2D crystals and cryo-transmission electron microscopy, and the PDB-coordinate file of AQP1 determined from 3D crystals and X-ray crystallography. Besides AQP1, which is a relatively rigid protein, we also studied a flexible membrane transport protein, i.e. the L-arginine/agmatine antiporter AdiC. Comparison of PSs calculated from the existing PDB-coordinate files of substrate-free and L-arginine-bound AdiC indicated that conformational changes are detected in projection. Importantly, structural differences were found between the PSV-method calculated PSs of the detergent-solubilized AdiC proteins and the PS from cryo-TEM of membrane-embedded AdiC. These differences are particularly exciting since they may reflect a different conformation of AdiC induced by the lateral pressure in the lipid bilayer.

Optical projection tomography reveals dynamics of HEV growth after immunization with protein plus CFA and features shared with HEVs in acute autoinflammatory lymphadenopathy

The vascular-stromal compartment of lymph nodes is important for lymph node function, and high endothelial venules (HEVs) play a critical role in controlling the entry of recirculating lymphocytes. In autoimmune and autoinflammatory diseases, lymph node swelling is often accompanied by apparent HEV expansion and, potentially, targeting HEV expansion could be used therapeutically to limit autoimmunity. In previous studies using mostly flow cytometry analysis, we defined three differentially regulated phases of lymph node vascular-stromal growth: initiation, expansion, and the re-establishment of vascular quiescence and stabilization. In this study, we use optical projection tomography to better understand the morphologic aspects of HEV growth upon immunization with ovalbumin/CFA (OVA/CFA). We find HEV elongation as well as modest arborization during the initiation phase, increased arborization during the expansion phase, and, finally, vessel narrowing during the re-establishment of vascular quiescence and stabilization. We also examine acutely enlarged autoinflammatory lymph nodes induced by regulatory T cell depletion and show that HEVs are expanded and morphologically similar to the expanded HEVs in OVA/CFA-stimulated lymph nodes. These results reinforce the idea of differentially regulated, distinct phases of vascular-stromal growth after immunization and suggest that insights gained from studying immunization-induced lymph node vascular growth may help to understand how the lymph node vascular-stromal compartment could be therapeutically targeted in autoimmune and autoinflammatory diseases.