Automated Segmentation and Non-Rigid Registration for the Quantitative Evaluation of Myocardial Perfusion from Magnetic Resonance Images

Myocardial perfusion quantification by means of Contrast-Enhanced Cardiac Magnetic Resonance images relies on time consuming frame-by-frame manual tracing of regions of interest. In this Thesis, a novel automated technique for myocardial segmentation and non-rigid registration as a basis for perfusion quantification is presented. The proposed technique is based on three steps: reference frame selection, myocardial segmentation and non-rigid registration. In the first step, the reference frame in which both endo- and epicardial segmentation will be performed is chosen. Endocardial segmentation is achieved by means of a statistical region-based level-set technique followed by a curvature-based regularization motion. Epicardial segmentation is achieved by means of an edge-based level-set technique followed again by a regularization motion. To take into account the changes in position, size and shape of myocardium throughout the sequence due to out of plane respiratory motion, a non-rigid registration algorithm is required. The proposed non-rigid registration scheme consists in a novel multiscale extension of the normalized cross-correlation algorithm in combination with level-set methods. The myocardium is then divided into standard segments. Contrast enhancement curves are computed measuring the mean pixel intensity of each segment over time, and perfusion indices are extracted from each curve. The overall approach has been tested on synthetic and real datasets. For validation purposes, the sequences have been manually traced by an experienced interpreter, and contrast enhancement curves as well as perfusion indices have been computed. Comparisons between automatically extracted and manually obtained contours and enhancement curves showed high inter-technique agreement. Comparisons of perfusion indices computed using both approaches against quantitative coronary angiography and visual interpretation demonstrated that the two technique have similar diagnostic accuracy. In conclusion, the proposed technique allows fast, automated and accurate measurement of intra-myocardial contrast dynamics, and may thus address the strong clinical need for quantitative evaluation of myocardial perfusion.

Systematic investigation of automated plan generation for breast cancer including beam angle and isocenter selection

Il tumore al seno è il più comune tra le donne nel mondo. La radioterapia è comunemente usata dopo la chirurgia per distruggere eventuali cellule maligne rimaste nel volume del seno. Nei trattamenti di radioterapia bisogna cercare di irradiare il volume da curare limitando contemporaneamente la tossicità nei tessuti sani. In clinica i parametri che definiscono il piano di trattamento radioterapeutico sono selezionati manualmente utilizzando un software di simulazione per trattamenti. Questo processo, detto di trial and error, in cui i differenti parametri vengono modificati e il trattamento viene simulato nuovamente e valutato, può richiedere molte iterazioni rendendolo dispendioso in termini di tempo. Lo studio presentato in questa tesi si concentra sulla generazione automatica di piani di trattamento per irradiare l'intero volume del seno utilizzando due fasci approssimativamente opposti e tangenti al paziente. In particolare ci siamo concentrati sulla selezione delle direzioni dei fasci e la posizione dell'isocentro. A questo scopo, è stato investigata l'efficacia di un approccio combinatorio, nel quale sono stati generati un elevato numero di possibili piani di trattamento utilizzando differenti combinazioni delle direzioni dei due fasci. L'intensità del profilo dei fasci viene ottimizzata automaticamente da un algoritmo, chiamato iCycle, sviluppato nel ospedale Erasmus MC di Rotterdam. Inizialmente tra tutti i possibili piani di trattamento generati solo un sottogruppo viene selezionato, avente buone caratteristiche per quel che riguarda l'irraggiamento del volume del seno malato. Dopo di che i piani che mostrano caratteristiche ottimali per la salvaguardia degli organi a rischio (cuore, polmoni e seno controlaterale) vengono considerati. Questi piani di trattamento sono matematicamente equivalenti quindi per selezionare tra questi il piano migliore è stata utilizzata una somma pesata dove i pesi sono stati regolati per ottenere in media piani che abbiano caratteristiche simili ai piani di trattamento approvati in clinica. Questo metodo in confronto al processo manuale oltre a ridurre considerevol-mente il tempo di generazione di un piano di trattamento garantisce anche i piani selezionati abbiano caratteristiche ottimali nel preservare gli organi a rischio. Inizialmente è stato utilizzato l'isocentro scelto in clinica dal tecnico. Nella parte finale dello studio l'importanza dell'isocentro è stata valutata; ne è risultato che almeno per un sottogruppo di pazienti la posizione dell'isocentro può dare un importante contributo alla qualità del piano di trattamento e quindi potrebbe essere un ulteriore parametro da ottimizzare. 

Automated Analysis Methods for the Assessment of Bicycle Infrastructure and Demand

A first phase of the research activity has been related to the study of the state of art of the infrastructures for cycling, bicycle use and methods for evaluation. In this part, the candidate has studied the "bicycle system" in countries with high bicycle use and in particular in the Netherlands. Has been carried out an evaluation of the questionnaires of the survey conducted within the European project BICY on mobility in general in 13 cities of the participating countries. The questionnaire was designed, tested and implemented, and was later validated by a test in Bologna. The results were corrected with information on demographic situation and compared with official data. The cycling infrastructure analysis was conducted on the basis of information from the OpenStreetMap database. The activity consisted in programming algorithms in Python that allow to extract data from the database infrastructure for a region, to sort and filter cycling infrastructure calculating some attributes, such as the length of the arcs paths. The results obtained were compared with official data where available. The structure of the thesis is as follows: 1. Introduction: description of the state of cycling in several advanced countries, description of methods of analysis and their importance to implement appropriate policies for cycling. Supply and demand of bicycle infrastructures. 2. Survey on mobility: it gives details of the investigation developed and the method of evaluation. The results obtained are presented and compared with official data. 3. Analysis cycling infrastructure based on information from the database of OpenStreetMap: describes the methods and algorithms developed during the PhD. The results obtained by the algorithms are compared with official data. 4. Discussion: The above results are discussed and compared. In particular the cycle demand is compared with the length of cycle networks within a city. 5. Conclusions

Discrete Event Systems based Design Patterns for Diagnosability Analysis of Automated Manufacturing Systems

The main goal of this thesis is to facilitate the process of industrial automated systems development applying formal methods to ensure the reliability of systems. A new formulation of distributed diagnosability problem in terms of Discrete Event Systems theory and automata framework is presented, which is then used to enforce the desired property of the system, rather then just verifying it. This approach tackles the state explosion problem with modeling patterns and new algorithms, aimed for verification of diagnosability property in the context of the distributed diagnosability problem. The concepts are validated with a newly developed software tool.

Plasmoscope: Automated spectroscopy of single nanoparticles

Plasmonen sind die kollektive resonante Anregung von Leitungselektronen. Vom Licht angeregternPlasmonen in subwellenlängen-grossen Nanopartikeln heissen Partikelplasmonen und sind vielversprechende Kandidaten für zukünftige Mikrosensoren wegen der starken Abhängigkeit der Resonanz an extern steuerbaren Parametern, wie die optischen Eigenschaften des umgebenden Mediums und die elektrische Ladung der Nanopartikel. Die extrem hohe Streue_zienz von Partikelplasmonen erlaubt eine einfache Beobachtung einzelner Nanopartikel in einem Mikroskop.rnDie Anforderung, schnell eine statistisch relevante Anzahl von Datenpunkten sammeln zu können,rnund die wachsende Bedeutung von plasmonischen (vor allem Gold-) Nanopartikeln für Anwendungenrnin der Medizin, hat nach der Entwicklung von automatisierten Mikroskopen gedrängt, die im bis dahin nur teilweise abgedeckten spektralen Fenster der biologischen Gewebe (biologisches Fenster) von 650 bis 900nm messen können. Ich stelle in dieser Arbeit das Plasmoscope vor, das genau unter Beobachtung der genannten Anforderungen entworfen wurde, in dem (1) ein einstellbarer Spalt in die Eingangsö_nung des Spektrometers, die mit der Bildebene des Mikroskops zusammenfällt, gesetzt wurde, und (2) einem Piezo Scantisch, der es ermöglicht, die Probe durch diesen schmalen Spalt abzurastern. Diese Verwirklichung vermeidet optische Elemente, die im nahen Infra-Rot absorbieren.rnMit dem Plasmoscope untersuche ich die plasmonische Sensitivität von Gold- und Silbernanostrnäbchen, d.h. die Plasmon-Resonanzverschiebung in Abhängigkeit mit der Änderung des umgebendenrnMediums. Die Sensitivität ist das Mass dafür, wie gut die Nanopartikeln Materialänderungenrnin ihrer Umgebung detektieren können, und damit ist es immens wichtig zu wissen, welche Parameterrndie Sensitivität beein_ussen. Ich zeige hier, dass Silbernanostäbchen eine höhere Sensitivität alsrnGoldnanostäbchen innerhalb des biologischen Fensters besitzen, und darüberhinaus, dass die Sensitivität mit der Dicke der Stäbchen wächst. Ich stelle eine theoretische Diskussion der Sensitivitätrnvor, indenti_ziere die Materialparameter, die die Sensitivität bein_ussen und leite die entsprechendenrnFormeln her. In einer weiteren Annäherung präsentiere ich experimentelle Daten, die die theoretische Erkenntnis unterstützen, dass für Sensitivitätsmessschemata, die auch die Linienbreite mitberücksichtigen, Goldnanostäbchen mit einem Aspektverhältnis von 3 bis 4 das optimalste Ergebnis liefern. Verlässliche Sensoren müssen eine robuste Wiederholbarkeit aufweisen, die ich mit Gold- und Silbernanostäbchen untersuche.rnDie Plasmonen-resonanzwellenlänge hängt von folgenden intrinsischen Materialparametern ab:rnElektrondichte, Hintergrundpolarisierbarkeit und Relaxationszeit. Basierend auf meinen experimentellen Ergebnissen zeige ich, dass Nanostäbchen aus Kupfer-Gold-Legierung im Vergleich zu ähnlich geformten Goldnanostäbchen eine rotverschobene Resonanz haben, und in welcher Weiserndie Linienbreite mit der stochimetrischen Zusammensetzung der legierten Nanopartikeln variiert.rnDie Abhängigkeit der Linienbreite von der Materialzusammensetzung wird auch anhand von silberbeschichteten und unbeschichteten Goldnanostäbchen untersucht.rnHalbleiternanopartikeln sind Kandidaten für e_ziente photovoltaische Einrichtungen. Die Energieumwandlung erfordert eine Ladungstrennung, die mit dem Plasmoscope experimentell vermessen wird, in dem ich die lichtinduzierte Wachstumsdynamik von Goldsphären auf Halbleiternanost äbchen in einer Goldionenlösung durch die Messung der gestreuten Intensität verfolge.rn

Design, realization and characterization of automated millifluidic bioreactors for investigating the molecular evolution of lytic or lysogenic vector phages infecting engineered host e. Coli

In questa tesi viene presentato un bioreattore in grado di mantenere nel tempo condizioni biologiche tali che consentano di massimizzare i cicli di evoluzione molecolare di vettori di clonazione fagici: litico (T7) o lisogeno (M13). Verranno quindi introdtti concetti legati alla Teoria della Quasispecie e alla relazione tra errori di autoreplicazione e pressioni selettive naturali o artificiali su popolazioni di virus: il modello naturale del sistema evolutivo. Tuttavia, mantenere delle popolazioni di virus significa formire loro un substrato dove replicare. Per fare ciò, altri gruppi di ricerca hanno giá sviluppato complessi e costosi prototipi di macchinari per la crescita continua di popolazioni batteriche: i compartimenti dei sistemi evolutivi. Il bioreattore, oggetto di questo lavoro, fa parte del progetto europeo Evoprog: general purpose programmable machine evolution on a chip (Jaramillo’s Lab, University of Warwick) che, utilizzando tecnologie fagiche e regolazioni sintetiche esistenti, sará in grado di produrre funzionalità biocomputazionali di due ordini di grandezza più veloci rispetto alle tecniche convenzionali, riducendo allo stesso tempo i costi complessivi. Il primo prototipo consiste in uno o piú fermentatori, dove viene fatta crescere la cultura batterica in condizioni ottimizzate di coltivazione continua, e in un cellstat, un volume separato, dove avviene solo la replicazione dei virus. Entrambi i volumi sono di pochi millilitri e appropriatamente interconnessi per consentire una sorta di screening continuo delle biomolecole prodotte all’uscita. Nella parte finale verranno presentati i risultati degli esperimenti preliminari, a dimostrazione dell’affidabilità del prototipo costruito e dei protocolli seguiti per la sterilizzazione e l’assemblaggio del bioreattore. Gli esperimenti effettuati dimostrano il successo di due coltivazioni virali continue e una ricombinazione in vivo di batteriofagi litici o lisogeni ingegnerizzati. La tesi si conclude valutando i futuri sviluppi e i limiti del sistema, tenendo in considerazione, in particolare, alcune applicazioni rivolte agli studi di una terapia batteriofagica.

A method for automated generation of radiotherapy treatment plans for lung cancer

La radioterapia è una tecnica molto impiegata per la cura del cancro. Attualmente la somministrazione avviene principalmente attraverso la intensity modulated radiotherapy (IMRT, sovrapposizione di campi ad intensità modulata), un cui sviluppo recente è la volumetric modulated arc therapy (VMAT, irradiazione continua lungo un arco ininterrotto). La generazione di piani richiede esperienza ed abilità: un dosimetrista seleziona cost functions ed obiettivi ed un TPS ottimizza la disposizione dei segmenti ad intensità modulata. Se il medico giudica il risultato non soddisfacente, il processo riparte da capo (trial-and-error). Una alternativa è la generazione automatica di piani. Erasmus-iCycle, software prodotto presso ErasmusMC (Rotterdam, The Netherlands), è un algoritmo di ottimizzazione multicriteriale di piani radioterapici per ottimizzazione di intensità basato su una wish list. L'output consiste di piani Pareto-ottimali ad intensità modulata. La generazione automatica garantisce maggiore coerenza e qualità più elevata con tempi di lavoro ridotti. Nello studio, una procedura di generazione automatica di piani con modalità VMAT è stata sviluppata e valutata per carcinoma polmonare. Una wish list è stata generata attraverso una procedura iterativa su un gruppo ristretto di pazienti con la collaborazione di fisici medici ed oncologi e poi validata su un gruppo più ampio di pazienti. Nella grande maggioranza dei casi, i piani automatici sono stati giudicati dagli oncologi migliori rispetto ai rispettivi piani IMRT clinici generati manualmente. Solo in pochi casi una rapida calibrazione manuale specifica per il paziente si è resa necessaria per soddisfare tutti i requisiti clinici. Per un sottogruppo di pazienti si è mostrato che la qualità dei piani VMAT automatici era equivalente o superiore rispetto ai piani VMAT generati manualmente da un dosimetrista esperto. Complessivamente, si è dimostrata la possibilità di generare piani radioterapici VMAT ad alta qualità automaticamente, con interazione umana minima. L'introduzione clinica della procedura automatica presso ErasmusMC è iniziata (ottobre 2015).

Automated Intervertebral Disc Detection from Low Resolution, Sparse MRI Images for the Planning of Scan Geometries

Robust and accurate identification of intervertebral discs from low resolution, sparse MRI scans is essential for the automated scan planning of the MRI spine scan. This paper presents a graphical model based solution for the detection of both the positions and orientations of intervertebral discs from low resolution, sparse MRI scans. Compared with the existing graphical model based methods, the proposed method does not need a training process using training data and it also has the capability to automatically determine the number of vertebrae visible in the image. Experiments on 25 low resolution, sparse spine MRI data sets verified its performance.

Automated detection of fiducial screws from CT/DVT volume data for image-guided ENT surgery

This paper presents an automated solution for precise detection of fiducial screws from three-dimensional (3D) Computerized Tomography (CT)/Digital Volume Tomography (DVT) data for image-guided ENT surgery. Unlike previously published solutions, we regard the detection of the fiducial screws from the CT/DVT volume data as a pose estimation problem. We thus developed a model-based solution. Starting from a user-supplied initialization, our solution detects the fiducial screws by iteratively matching a computer aided design (CAD) model of the fiducial screw to features extracted from the CT/DVT data. We validated our solution on one conventional CT dataset and on five DVT volume datasets, resulting in a total detection of 24 fiducial screws. Our experimental results indicate that the proposed solution achieves much higher reproducibility and precision than the manual detection. Further comparison shows that the proposed solution produces better results on the DVT dataset than on the conventional CT dataset.

Automated cement segmentation in vertebroplasty

Vertebroplasty is a minimally invasive procedure with many benefits; however, the procedure is not without risks and potential complications, of which leakage of the cement out of the vertebral body and into the surrounding tissues is one of the most serious. Cement can leak into the spinal canal, venous system, soft tissues, lungs and intradiscal space, causing serious neurological complications, tissue necrosis or pulmonary embolism. We present a method for automatic segmentation and tracking of bone cement during vertebroplasty procedures, as a first step towards developing a warning system to avoid cement leakage outside the vertebral body. We show that by using active contours based on level sets the shape of the injected cement can be accurately detected. The model has been improved for segmentation as proposed in our previous work by including a term that restricts the level set function to the vertebral body. The method has been applied to a set of real intra-operative X-ray images and the results show that the algorithm can successfully detect different shapes with blurred and not well-defined boundaries, where the classical active contours segmentation is not applicable. The method has been positively evaluated by physicians.