In-situ measurement and the reconstruction in 3D of femtosecond inscription induced complex permittivity modification in glass

We demonstrate a new approach to in-situ measurement of femtosecond laser pulse induced changes in glass enabling the reconstruction in 3D of the induced complex permittivity modification. The technique can be used to provide single shot and time resolved quantitative measurements with a micron scale spatial resolution.

Live 3D shape reconstruction, recognition and registration

We present a video-based system which interactively captures the geometry of a 3D object in the form of a point cloud, then recognizes and registers known objects in this point cloud in a matter of seconds (fig. 1). In order to achieve interactive speed, we exploit both efficient inference algorithms and parallel computation, often on a GPU. The system can be broken down into two distinct phases: geometry capture, and object inference. We now discuss these in further detail. © 2011 IEEE.

Real-time 3D shape sensing and reconstruction scheme based upon fibre optic bragg gratings

An array of FBG curvature sensors are wavelength-interrogated and the recovered data combined with a three-dimensional algorithm to reconstruct in real time the enveloped object with a 1% to 9% volumetric error. © 2012 OSA.

Détection, reconstruction 3D et identification des êtres vivants du règne animal

L’automatisation de la détection et de l’identification des animaux est une tâche qui a de l’intérêt dans plusieurs domaines de recherche en biologie ainsi que dans le développement de systèmes de surveillance électronique. L’auteur présente un système de détection et d’identification basé sur la vision stéréo par ordinateur. Plusieurs critères sont utilisés pour identifier les animaux, mais l’accent a été mis sur l’analyse harmonique de la reconstruction en temps réel de la forme en 3D des animaux. Le résultat de l’analyse est comparé avec d’autres qui sont contenus dans une base évolutive de connaissances.

Chrysotile effects on human lung cell carcinoma in culture: 3-D reconstruction and DNA quantification by image analysis

Background: Chrysotile is considered less harmful to human health than other types of asbestos fibers. Its clearance from the lung is faster and, in comparison to amphibole forms of asbestos, chrysotile asbestos fail to accumulate in the lung tissue due to a mechanism involving fibers fragmentation in short pieces. Short exposure to chrysotile has not been associated with any histopathological alteration of lung tissue. Methods: The present work focuses on the association of small chrysotile fibers with interphasic and mitotic human lung cancer cells in culture, using for analyses confocal laser scanning microscopy and 3D reconstructions. The main goal was to perform the analysis of abnormalities in mitosis of fibers-containing cells as well as to quantify nuclear DNA content of treated cells during their recovery in fiber-free culture medium. Results: HK2 cells treated with chrysotile for 48 h and recovered in additional periods of 24, 48 and 72 h in normal medium showed increased frequency of multinucleated and apoptotic cells. DNA ploidy of the cells submitted to the same chrysotile treatment schedules showed enhanced aneuploidy values. The results were consistent with the high frequency of multipolar spindles observed and with the presence of fibers in the intercellular bridge during cytokinesis. Conclusion: The present data show that 48 h chrysotile exposure can cause centrosome amplification, apoptosis and aneuploid cell formation even when long periods of recovery were provided. Internalized fibers seem to interact with the chromatin during mitosis, and they could also interfere in cytokinesis, leading to cytokinesis failure which forms aneuploid or multinucleated cells with centrosome amplification.

Automatic segmentation and 3D feature extraction of protein aggregates in Caenorhabditis Elegans

In the last years, it has become increasingly clear that neurodegenerative diseases involve protein aggregation, a process often used as disease progression readout and to develop therapeutic strategies. This work presents an image processing tool to automatic segment, classify and quantify these aggregates and the whole 3D body of the nematode Caenorhabditis Elegans. A total of 150 data set images, containing different slices, were captured with a confocal microscope from animals of distinct genetic conditions. Because of the animals’ transparency, most of the slices pixels appeared dark, hampering their body volume direct reconstruction. Therefore, for each data set, all slices were stacked in one single 2D image in order to determine a volume approximation. The gradient of this image was input to an anisotropic diffusion algorithm that uses the Tukey’s biweight as edge-stopping function. The image histogram median of this outcome was used to dynamically determine a thresholding level, which allows the determination of a smoothed exterior contour of the worm and the medial axis of the worm body from thinning its skeleton. Based on this exterior contour diameter and the medial animal axis, random 3D points were then calculated to produce a volume mesh approximation. The protein aggregations were subsequently segmented based on an iso-value and blended with the resulting volume mesh. The results obtained were consistent with qualitative observations in literature, allowing non-biased, reliable and high throughput protein aggregates quantification. This may lead to a significant improvement on neurodegenerative diseases treatment planning and interventions prevention

Caracterização e modelação de fissuras em edifícios utilizando 3D laser scanning, com vista à sua reabilitação

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

Reconstrução de Superfícies usando um Scanner 3D de Luz Estruturada

Ao longo dos últimos anos, os scanners 3D têm tido uma utilização crescente nas mais variadas áreas. Desde a Medicina à Arqueologia, passando pelos vários tipos de indústria, ´e possível identificar aplicações destes sistemas. Essa crescente utilização deve-se, entre vários factores, ao aumento dos recursos computacionais, à simplicidade e `a diversidade das técnicas existentes, e `as vantagens dos scanners 3D comparativamente com outros sistemas. Estas vantagens são evidentes em áreas como a Medicina Forense, onde a fotografia, tradicionalmente utilizada para documentar objectos e provas, reduz a informação adquirida a duas dimensões. Apesar das vantagens associadas aos scanners 3D, um factor negativo é o preço elevado. No âmbito deste trabalho pretendeu-se desenvolver um scanner 3D de luz estruturada económico e eficaz, e um conjunto de algoritmos para o controlo do scanner, para a reconstrução de superfícies de estruturas analisadas, e para a validação dos resultados obtidos. O scanner 3D implementado ´e constituído por uma câmara e por um projector de vídeo ”off-the-shelf”, e por uma plataforma rotativa desenvolvida neste trabalho. A função da plataforma rotativa consiste em automatizar o scanner de modo a diminuir a interação dos utilizadores. Os algoritmos foram desenvolvidos recorrendo a pacotes de software open-source e a ferramentas gratuitas. O scanner 3D foi utilizado para adquirir informação 3D de um crânio, e o algoritmo para reconstrução de superfícies permitiu obter superfícies virtuais do crânio. Através do algoritmo de validação, as superfícies obtidas foram comparadas com uma superfície do mesmo crânio, obtida por tomografia computorizada (TC). O algoritmo de validação forneceu um mapa de distâncias entre regiões correspondentes nas duas superfícies, que permitiu quantificar a qualidade das superfícies obtidas. Com base no trabalho desenvolvido e nos resultados obtidos, é possível afirmar que foi criada uma base funcional para o varrimento de superfícies 3D de estruturas, apta para desenvolvimento futuro, mostrando que é possível obter alternativas aos métodos comerciais usando poucos recursos financeiros.

Characterization and surface reconstruction of objects in tomographic images of composite materials

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Informática

Evaluation of the 3D symmetry of the knees when walking using na ambulatory inertia system: results 14 months after ACL Plasty.

Purpose of the study: Reconstruction of the anterior cruciate ligament (ACL) controls laxity but does not enable restoration of strictly normal 3D kinematics. The purpose of this study was to compare the kinematics of the pathological knee with that of the healthy knee after ACL plasty. This study applied a new ambulatory system using miniature captors. Material and method: Five patients with an isolated injury of the ACL participated in this study. The patients were assessed after injury (T1), at five months (T2), and at 14 months (T3) after surgery. The assessment included laxity (KT-1000), the IKDC score and the Lysholm score. The 3D angles of the knees were measured when walking 30 m on flat ground using a system composed of to small inertia units (3D accelerometer and 3D gyroscope) and a portable recorder. Functional settings were optimised and validating to ensure easy precise measurement of the 3D angles. Symmetry of the two knees was quantified using a symmetry index (SI) (difference in amplitude normalised in relation to mean amplitude) and the correlation coefficient CC. Results: Clinical indicators improved during the follow-up (IKDC T1: 3C, 2C; T2: 5B; T3: 2A, 3B; subjective IKD: 53-95; Lysholm 67-96). Mean laxity improved from 8.6m to 2.5 mm. The gait analysis showed increased symmetry in terms of amplitude for flexion-extension (SI: −17% at T1, −1% at T2, 1% at T3), and an increase in symmetry in terms of the rotation signature (CC: 0.16 at T1, 0.99 at T2, 0.99 at T3). There was no trend to varus-valgus. Discussion: This study demonstrates the clinical application of the new ambulatory system for measuring 3D angles of the knee joint. Joint symmetry increased after ACL plasty but still showed some perturbation at 14 months. The results observed here are in agreement with the literature. Other patients and other types of gait are being analysed. Conclusion: This portable system allows gait analysis outside the laboratory, before and after ACL injury. It is very useful for follow-up after surgery.

Simulation des caractéristiques ECG du syndrome de Brugada à l'aide d'un programme de modélisation 3D

Introduction : Le syndrome de Brugada, décrit en 1992 par Pedro et Josep Brugada, est un syndrome cardiaque caractérisé par un sus-décalage particulier du segment ST associé à un bloc de branche droit atypique au niveau des dérivations ECG V1 à V3. Les altérations ECG du syndrome de Brugada sont classifiées en 3 types dont seul le type 1 est diagnostique. Les mécanismes physiopathologiques exacts de ce syndrome sont pour le moment encore controversés. Plusieurs hypothèses sont proposées dans la littérature dont deux principales retiennent l'attention : 1) le modèle du trouble de repolarisation stipule des potentiels d'action réduits en durée et en amplitude liés à un changement de répartition de canaux potassiques 2) le modèle du trouble de dépolarisation spécifie un retard de conduction se traduisant par une dépolarisation retardée. Dans le STEMI, un sus-décalage ST ressemblant à celui du syndrome de Brugada est expliqué par deux théories : 1) le courant de lésion diastolique suggère une élévation du potentiel diastolique transformé artificiellement en sus-décalage ST par les filtres utilisés dans tous les appareils ECG.¦Objectif : Recréer les manifestations ECG du syndrome de Brugada en appliquant les modifications du potentiel d'action des cardiomyocytes rapportées dans la littérature.¦Méthode : Pour ce travail, nous avons utilisé "ECGsim", un simulateur informatique réaliste d'ECG disponible gratuitement sur www.ecgsim.org. Ce programme est basé sur une reconstruction de l'ECG de surface à l'aide de 1500 noeuds représentant chacun les potentiels d'action des ventricules droit et gauche, épicardiques et endocardiques. L'ECG simulé peut être donc vu comme l'intégration de l'ensemble de ces potentiels d'action en tenant compte des propriétés de conductivité des tissus s'interposant entre les électrodes de surface et le coeur. Dans ce programme, nous avons définit trois zones, de taille différente, comprenant la chambre de chasse du ventricule droit. Pour chaque zone, nous avons reproduit les modifications des potentiels d'action citées dans les modèles du trouble de repolarisation et de dépolarisation et des théories de courant de lésion systolique et diastolique. Nous avons utilisé, en plus des douze dérivations habituelles, une électrode positionnée en V2IC3 (i.e. 3ème espace intercostal) sur le thorax virtuel du programme ECGsim.¦Résultats : Pour des raisons techniques, le modèle du trouble de repolarisation n'a pas pu être entièrement réalisée dans ce travail. Le modèle du trouble de dépolarisation ne reproduit pas d'altération de type Brugada mais un bloc de branche droit plus ou moins complet. Le courant de lésion diastolique permet d'obtenir un sus-décalage ST en augmentant le potentiel diastolique épicardique des cardiomyocytes de la chambre de chasse du ventricule droit. Une inversion de l'onde T apparaît lorsque la durée du potentiel d'action est prolongée. L'amplitude du sus-décalage ST dépend de la valeur du potentiel diastolique, de la taille de la lésion et de sa localisation épicardique ou transmurale. Le courant de lésion systolique n'entraîne pas de sus-décalage ST mais accentue l'amplitude de l'onde T.¦Discussion et conclusion : Dans ce travail, l'élévation du potentiel diastolique avec un prolongement de la durée du potentiel d'action est la combinaison qui reproduit le mieux les altérations ECG du Brugada. Une persistance de cellules de type nodal au niveau de la chambre de chasse du ventricule droit pourrait être une explication à ces modifications particulières du potentiel d'action. Le risque d'arythmie dans la Brugada pourrait également être expliqué par une automaticité anormale des cellules de type nodal. Ainsi, des altérations des mécanismes cellulaires impliqués dans le maintien du potentiel diastolique pourraient être présentes dans le syndrome de Brugada, ce qui, à notre connaissance, n'a jamais été rapporté dans la littérature.

Dose reconstruction in the context of tomotherapy

In vivo dosimetry is a way to verify the radiation dose delivered to the patient in measuring the dose generally during the first fraction of the treatment. It is the only dose delivery control based on a measurement performed during the treatment. In today's radiotherapy practice, the dose delivered to the patient is planned using 3D dose calculation algorithms and volumetric images representing the patient. Due to the high accuracy and precision necessary in radiation treatments, national and international organisations like ICRU and AAPM recommend the use of in vivo dosimetry. It is also mandatory in some countries like France. Various in vivo dosimetry methods have been developed during the past years. These methods are point-, line-, plane- or 3D dose controls. A 3D in vivo dosimetry provides the most information about the dose delivered to the patient, with respect to ID and 2D methods. However, to our knowledge, it is generally not routinely applied to patient treatments yet. The aim of this PhD thesis was to determine whether it is possible to reconstruct the 3D delivered dose using transmitted beam measurements in the context of narrow beams. An iterative dose reconstruction method has been described and implemented. The iterative algorithm includes a simple 3D dose calculation algorithm based on the convolution/superposition principle. The methodology was applied to narrow beams produced by a conventional 6 MV linac. The transmitted dose was measured using an array of ion chambers, as to simulate the linear nature of a tomotherapy detector. We showed that the iterative algorithm converges quickly and reconstructs the dose within a good agreement (at least 3% / 3 mm locally), which is inside the 5% recommended by the ICRU. Moreover it was demonstrated on phantom measurements that the proposed method allows us detecting some set-up errors and interfraction geometry modifications. We also have discussed the limitations of the 3D dose reconstruction for dose delivery error detection. Afterwards, stability tests of the tomotherapy MVCT built-in onboard detector was performed in order to evaluate if such a detector is suitable for 3D in-vivo dosimetry. The detector showed stability on short and long terms comparable to other imaging devices as the EPIDs, also used for in vivo dosimetry. Subsequently, a methodology for the dose reconstruction using the tomotherapy MVCT detector is proposed in the context of static irradiations. This manuscript is composed of two articles and a script providing further information related to this work. In the latter, the first chapter introduces the state-of-the-art of in vivo dosimetry and adaptive radiotherapy, and explains why we are interested in performing 3D dose reconstructions. In chapter 2 a dose calculation algorithm implemented for this work is reviewed with a detailed description of the physical parameters needed for calculating 3D absorbed dose distributions. The tomotherapy MVCT detector used for transit measurements and its characteristics are described in chapter 3. Chapter 4 contains a first article entitled '3D dose reconstruction for narrow beams using ion chamber array measurements', which describes the dose reconstruction method and presents tests of the methodology on phantoms irradiated with 6 MV narrow photon beams. Chapter 5 contains a second article 'Stability of the Helical TomoTherapy HiArt II detector for treatment beam irradiations. A dose reconstruction process specific to the use of the tomotherapy MVCT detector is presented in chapter 6. A discussion and perspectives of the PhD thesis are presented in chapter 7, followed by a conclusion in chapter 8. The tomotherapy treatment device is described in appendix 1 and an overview of 3D conformai- and intensity modulated radiotherapy is presented in appendix 2. - La dosimétrie in vivo est une technique utilisée pour vérifier la dose délivrée au patient en faisant une mesure, généralement pendant la première séance du traitement. Il s'agit de la seule technique de contrôle de la dose délivrée basée sur une mesure réalisée durant l'irradiation du patient. La dose au patient est calculée au moyen d'algorithmes 3D utilisant des images volumétriques du patient. En raison de la haute précision nécessaire lors des traitements de radiothérapie, des organismes nationaux et internationaux tels que l'ICRU et l'AAPM recommandent l'utilisation de la dosimétrie in vivo, qui est devenue obligatoire dans certains pays dont la France. Diverses méthodes de dosimétrie in vivo existent. Elles peuvent être classées en dosimétrie ponctuelle, planaire ou tridimensionnelle. La dosimétrie 3D est celle qui fournit le plus d'information sur la dose délivrée. Cependant, à notre connaissance, elle n'est généralement pas appliquée dans la routine clinique. Le but de cette recherche était de déterminer s'il est possible de reconstruire la dose 3D délivrée en se basant sur des mesures de la dose transmise, dans le contexte des faisceaux étroits. Une méthode itérative de reconstruction de la dose a été décrite et implémentée. L'algorithme itératif contient un algorithme simple basé sur le principe de convolution/superposition pour le calcul de la dose. La dose transmise a été mesurée à l'aide d'une série de chambres à ionisations alignées afin de simuler la nature linéaire du détecteur de la tomothérapie. Nous avons montré que l'algorithme itératif converge rapidement et qu'il permet de reconstruire la dose délivrée avec une bonne précision (au moins 3 % localement / 3 mm). De plus, nous avons démontré que cette méthode permet de détecter certaines erreurs de positionnement du patient, ainsi que des modifications géométriques qui peuvent subvenir entre les séances de traitement. Nous avons discuté les limites de cette méthode pour la détection de certaines erreurs d'irradiation. Par la suite, des tests de stabilité du détecteur MVCT intégré à la tomothérapie ont été effectués, dans le but de déterminer si ce dernier peut être utilisé pour la dosimétrie in vivo. Ce détecteur a démontré une stabilité à court et à long terme comparable à d'autres détecteurs tels que les EPIDs également utilisés pour l'imagerie et la dosimétrie in vivo. Pour finir, une adaptation de la méthode de reconstruction de la dose a été proposée afin de pouvoir l'implémenter sur une installation de tomothérapie. Ce manuscrit est composé de deux articles et d'un script contenant des informations supplémentaires sur ce travail. Dans ce dernier, le premier chapitre introduit l'état de l'art de la dosimétrie in vivo et de la radiothérapie adaptative, et explique pourquoi nous nous intéressons à la reconstruction 3D de la dose délivrée. Dans le chapitre 2, l'algorithme 3D de calcul de dose implémenté pour ce travail est décrit, ainsi que les paramètres physiques principaux nécessaires pour le calcul de dose. Les caractéristiques du détecteur MVCT de la tomothérapie utilisé pour les mesures de transit sont décrites dans le chapitre 3. Le chapitre 4 contient un premier article intitulé '3D dose reconstruction for narrow beams using ion chamber array measurements', qui décrit la méthode de reconstruction et présente des tests de la méthodologie sur des fantômes irradiés avec des faisceaux étroits. Le chapitre 5 contient un second article intitulé 'Stability of the Helical TomoTherapy HiArt II detector for treatment beam irradiations'. Un procédé de reconstruction de la dose spécifique pour l'utilisation du détecteur MVCT de la tomothérapie est présenté au chapitre 6. Une discussion et les perspectives de la thèse de doctorat sont présentées au chapitre 7, suivies par une conclusion au chapitre 8. Le concept de la tomothérapie est exposé dans l'annexe 1. Pour finir, la radiothérapie «informationnelle 3D et la radiothérapie par modulation d'intensité sont présentées dans l'annexe 2.

Comparisons of preoperative three-dimensional planning and surgical reconstruction in primary cementless total hip arthroplasty.

Reconstruction of important parameters such as femoral offset and torsion is inaccurate, when templating is based on plain x-rays. We evaluate intraoperative reproducibility of pre-operative CT-based 3D-templating in a consecutive series of 50 patients undergoing primary cementless THA through an anterior approach. Pre-operative planning was compared to a postoperative CT scan by image fusion. The implant size was correctly predicted in 100% of the stems, 94% of the cups and 88% of the heads (length). The difference between the planned and the postoperative leg length was 0.3 + 2.3 mm. Values for overall offset, femoral anteversion, cup inclination and anteversion were 1.4 mm ± 3.1, 0.6° ± 3.3°, -0.4° ± 5° and 6.9° ± 11.4°, respectively. This planning allows accurate implant size prediction. Stem position and cup inclination are accurately reproducible.