Development of 2-D MRT based Image Compression Techniques

The thesis explores the area of still image compression. The image compression techniques can be broadly classified into lossless and lossy compression. The most common lossy compression techniques are based on Transform coding, Vector Quantization and Fractals. Transform coding is the simplest of the above and generally employs reversible transforms like, DCT, DWT, etc. Mapped Real Transform (MRT) is an evolving integer transform, based on real additions alone. The present research work aims at developing new image compression techniques based on MRT. Most of the transform coding techniques employ fixed block size image segmentation, usually 8×8. Hence, a fixed block size transform coding is implemented using MRT and the merits and demerits are analyzed for both 8×8 and 4×4 blocks. The N2 unique MRT coefficients, for each block, are computed using templates. Considering the merits and demerits of fixed block size transform coding techniques, a hybrid form of these techniques is implemented to improve the performance of compression. The performance of the hybrid coder is found to be better compared to the fixed block size coders. Thus, if the block size is made adaptive, the performance can be further improved. In adaptive block size coding, the block size may vary from the size of the image to 2×2. Hence, the computation of MRT using templates is impractical due to memory requirements. So, an adaptive transform coder based on Unique MRT (UMRT), a compact form of MRT, is implemented to get better performance in terms of PSNR and HVS The suitability of MRT in vector quantization of images is then experimented. The UMRT based Classified Vector Quantization (CVQ) is implemented subsequently. The edges in the images are identified and classified by employing a UMRT based criteria. Based on the above experiments, a new technique named “MRT based Adaptive Transform Coder with Classified Vector Quantization (MATC-CVQ)”is developed. Its performance is evaluated and compared against existing techniques. A comparison with standard JPEG & the well-known Shapiro’s Embedded Zero-tree Wavelet (EZW) is done and found that the proposed technique gives better performance for majority of images

MRT letter: Extended depth from focus reconstruction method for stretch zone measurement in 15-5PH steel

The stretch zone width (SZW) data for 15-5PH steel CTOD specimens fractured at -150 degrees C to + 23 degrees C temperature were measured based on focused images and 3D maps obtained by extended depth-of-field reconstruction from light microscopy (LM) image stacks. This LM-based method, with a larger lateral resolution, seems to be as effective for quantitative analysis of SZW as scanning electron microscopy (SEM) or confocal scanning laser microscopy (CSLM), permitting to clearly identify stretch zone boundaries. Despite the worst sharpness of focused images, a robust linear correlation was established to fracture toughness (KC) and SZW data for the 15-5PH steel tested specimens, measured at their center region. The method is an alternative to evaluate the boundaries of stretched zones, at a lower cost of implementation and training, since topographic data from elevation maps can be associated with reconstructed image, which summarizes the original contrast and brightness information. Finally, the extended depth-of-field method is presented here as a valuable tool for failure analysis, as a cheaper alternative to investigate rough surfaces or fracture, compared to scanning electron or confocal light microscopes. Microsc. Res. Tech. 75:11551158, 2012. (C) 2012 Wiley Periodicals, Inc.

MRT Letter: A Novel Tegumental Gland in Female Imagoes of the Neotropical Termite Cornitermes cumulans (Isoptera, Termitidae, Syntermitinae)

In general, the exocrine glands of social insects are structures involved in the chemical communication associated with social life. Here, we report the discovery of an unknown tegumental gland that is present in the female imagoes of Cornitermes cumulans and occurs next to the well-developed tergal glands that have previously been described. The tegumental glands release their secretion in the intersegmental membrane and are composed of bicellular units, a secretory cell and a canal cell, that are closely located to the epidermal cells in the inferior part of the eighth and ninth tergites. The ultrastructure of the glandular cells showed abundant smooth endoplasmic reticulum, suggesting that the secretion may be pheromonal, although its function is still unknown. These exocrine structures are facing the tergal glands, and we hypothesized that they act synergistically with the tergal glands to generate short-range attraction during tandem behavior. Microsc. Res. Tech. 73: 1005-1008, 2010. (C) 2010 Wiley-Liss, Inc.

Untersuchung zur Bestimmung quantitativer Parameter der Lungenventilation mittels CT und MRT

Die zuverlässige Berechnung von quantitativen Parametern der Lungenventilation ist für ein Verständnis des Verhaltens der Lunge und insbesondere für die Diagnostik von Lungenerkrankungen von großer Bedeutung. Nur durch quantitative Parameter sind verlässliche und reproduzierbare diagnostische Aussagen über den Gesundheitszustand der Lunge möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue quantitative Verfahren zur Erfassung der Lungenventilation basierend auf der dynamischen Computer- (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) entwickelt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Frage untersucht, ob das Aufblähen der Lunge in gesunden Schweinelungen und Lungen mit Akutem Lungenversagen (ARDS) durch einzelne, diskrete Zeitkonstanten beschrieben werden kann, oder ob kontinuierliche Verteilungen von Zeitkonstanten die Realität besser beschreiben. Hierzu wurden Serien dynamischer CT-Aufnahmen während definierter Beatmungsmanöver (Drucksprünge) aufgenommen und anschließend aus den Messdaten mittels inverser Laplace-Transformation die zugehörigen Verteilungen der Zeitkonstanten berechnet. Um die Qualität der Ergebnisse zu analysieren, wurde der Algorithmus im Rahmen von Simulationsrechnungen systematisch untersucht und anschließend in-vivo an gesunden und ARDS-Schweinelungen eingesetzt. Während in den gesunden Lungen mono- und biexponentielle Verteilungen bestimmt wurden, waren in den ARDS-Lungen Verteilungen um zwei dominante Zeitkonstanten notwendig, um die gemessenen Daten auf der Basis des verwendeten Modells verlässlich zu beschreiben. Es wurden sowohl diskrete als auch kontinuierliche Verteilungen gefunden. Die CT liefert Informationen über das solide Lungengewebe, während die MRT von hyperpolarisiertem 3He in der Lage ist, direkt das eingeatmete Gas abzubilden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde zeitlich hochaufgelöst das Einströmen eines 3He-Bolus in die Lunge erfasst. Über eine Entfaltungsanalyse wurde anschließend das Einströmverhalten unter Idealbedingungen (unendlich kurzer 3He-Bolus), also die Gewebeantwortfunktion, berechnet und so eine Messtechnik-unabhängige Erfassung des Einströmens von 3He in die Lunge ermöglicht. Zentrale Fragestellung war hier, wie schnell das Gas in die Lunge einströmt. Im Rahmen von Simulationsrechnungen wurde das Verhalten eines Entfaltungsalgorithmus (basierend auf B-Spline Repräsentationen) systematisch analysiert. Zusätzlich wurde ein iteratives Entfaltungsverfahren eingesetzt. Aus zeitlich hochaufgelösten Messungen (7ms) an einer gesunden und einer ARDS-Schweinelunge konnte erstmals nachgewiesen werden, dass das Einströmen in-vivo in weniger als 0,1s geschieht. Die Ergebnisse zeigen Zeitkonstanten im Bereich von 4ms–50ms, wobei zwischen der gesunden Lungen und der ARDS-Lunge deutliche Unterschiede beobachtet wurden. Zusammenfassend ermöglichen daher die in dieser Arbeit vorgestellten Algorithmen eine objektivere Bestimmung quantitativer Parameter der Lungenventilation. Dies ist für die eindeutige Beschreibung ventilatorischer Vorgänge in der Lunge und somit für die Lungendiagnostik unerlässlich. Damit stehen quantitative Methoden für die Lungenfunktionsdiagnostik zur Verfügung, deren diagnostische Relevanz im Rahmen wissenschaftlicher und klinischer Studien untersucht werden kann.

Methodische und technische Weiterentwicklung der 3-He-MRT im Hinblick auf erweiterte lungendiagnostische Anwendungsmöglichkeiten

Die vorliegende Arbeit untersucht die Möglichkeiten und Limitierungen der MR-Lungenbildgebung mit hyperpolarisiertem 3-He bei gegenüber üblichen Magnetfeldstärken reduzierten magnetischen Führungsfeldern. Dabei werden insbesondere auch die funktionellen Bildgebungstechniken (dynamische Bildgebung, diffusionsgewichtete Bildgebung und Bestimmung des Sauerstoff-Partialdrucks) berücksichtigt. Experimentell geschieht dies durch in vivo Messungen an einem 0.1 T-Ganzkörpertomographen. Zur systematischen Untersuchung der MR-Bildgebung unter dem Einfluss diffundierender Kontrastmittel werden analytische Simulationen, Monte-Carlo-Studien und Referenzexperimente durchgeführt. Hier wird das Augenmerk besonders auf den Einfluss von Diffusions- und Suszeptibilitätsartefakten auf die morphologische und die diffusionsgewichtete Bildgebung gerichtet. Die Entwicklung und der Vergleich verschiedener Konzepte zur Erzeugung von MR-Führungsmagnetfeldern führt zur Erfindung eines neuartigen Prinzips zur weiträumigen Homogenisierung von Magnetfeldern. Die Umsetzung dieses Prinzips erfolgt in Form eines besonders kompakten Transportbehälters für kernspinpolarisierte Edelgase. Die Arbeit beinhaltet eine ausführliche Diskussion der MR-Bildgebungstechnik in Theorie und Praxis, um die Anknüpfungspunkte an die angestellten Untersuchungen herauszuarbeiten. Teile dieser Studien wurden von der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA finanziert (Contract No.15308/01/NL/PA).

NMR spectroscopy and imaging of hyperpolarized gases

Since the discovery of the nuclear magnetic resonance (NMR) phenomenon, countless NMR techniques have been developed that are today indispensable tools in physics, chemistry, biology, and medicine. As one of the main obstacles in NMR is its notorious lack of sensitivity, different hyperpolarization (HP) methods have been established to increase signals up to several orders of magnitude. In this work, different aspects of magnetic resonance, using HP noble gases, are studied, hereby combining different disciplines of research. The first part examines new fundamental effects in NMR of HP gases, in theory and experiment. The spin echo phenomenon, which provides the basis of numerous modern experiments, is studied in detail in the gas phase. The changes of the echo signal in terms of amplitude, shape, and position, due to the fast translational motion, are described by an extension of the existing theory and computer simulations. With this knowledge as a prerequisite, the detection of intermolecular double-quantum coherences was accomplished for the first time in the gas phase. The second part of this thesis focuses on the development of a practical method to enhance the dissolution process of HP 129Xe, without loss of polarization or shortening of T1. Two different setups for application in NMR spectroscopy and magnetic resonance imaging (MRI) are presented. The continuous operation allows biological and multidimensional spectroscopy in solutions. Also, first in vitro MRI images with dissolved HP 129Xe as contrast agent were obtained at a clinical scanner.

Bau und Entwicklung eines Applikators zur Verabreichung hyperpolarisierter Gase in der MRT der Lunge

Im Rahmen meiner Dissertation habe ich gemäß dem Medizinproduktegesetz ein MR-kompatibles Verabreichungsgerät entwickelt, um Patienten hyperpolarisierte Gas Boli (He-3, Xe-129) als Kontrasgas zur MRT der Lunge zu applizieren. Das Gerät wurde dazu optimiert, die Gase oder Gasmischungen (z. B. HP Gas + N2) in definierten Mengen und zu definierten Zeitpunkten während der Inspiration mit hoher Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit zu verabreichen, ohne dabei die MR-Qualität zu beeinträchtigen. Aus Sicherheitsgründen und zur späteren Datenanalyse werden die Atemflusskurven der Patienten kontinuierlich angezeigt und aufgezeichnet. Ein Kolbenkompressor ist integriert, um die gesamte gespeicherte He-3-Menge nutzen zu können. Weiterhin ist es möglich, die Polarisation vor Ort zu bestimmen und das abgeatmete He-3 zur späteren Rückgewinnung aufzufangen. Diese Auffangeffizienz konnte durch Untersuchungen mit He-4 (als He-3-Ersatz) gesteigert werden.rnDie ersten MR-Aufnahmen von 10 gesunden Probanden wurden mit diesem Aufbau imrnRahmen einer klinischen Studie durchgeführt. Die Analyse der bestimmten MR-Parameter Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Sauerstoffpartialdruck (pO2), Scheinbarer Diffusionskoeffizient (ADC=apparent diffusion coefficient) sowie die Signalanstiegszeit (rise-time) zeigt eine deutlich bessere Reproduzierbarkeit bei der Verabreichung des He-3 mit dem Applikators anstelle eines Tedlarbags (= kleine heliumdichte Plastiktüte).

Proton magnetic resonance with parahydrogen induced polarization : Imaging strategies and continuous generation

A major challenge in imaging is the detection of small amounts of molecules of interest. In the case of magnetic resonance imaging (MRI) their signals are typically concealed by the large background signal of e.g. the tissue of the body. This problem can be tackled by hyperpolarization which increases the NMR signals up to several orders of magnitude. However, this strategy is limited for 1H, the most widely used nucleus in NMR andrnMRI, because the enormous number of protons in the body screen the small amount of hyperpolarized ones.Here, I describe a method giving rise to high 1H MRI contrast for hyperpolarized molecules against a large background signal. The contrast is based on the J-coupling induced rephasing of the NMR signal of molecules hyperpolarized via parahydrogen induce polarization (PHIP) and it can easily be implemented in common pulse sequences.rnrnHyperpolarization methods typically require expensive technical equipment (e.g. lasers or microwaves) and most techniques work only in batch mode, thus the limited lifetime of the hyperpolarization is limiting its applications. Therefore, the second part of my thesis deals with the simple and efficient generation of an hyperpolarization.These two achievements open up alternative opportunities to use the standard MRI nucleus 1H for e.g. metabolic imaging in the future.

Software zur automatischen Tumordiagnose in der funktionalen MRT der weiblichen Brust

In den westlichen Industrieländern ist das Mammakarzinom der häufigste bösartige Tumor der Frau. Sein weltweiter Anteil an allen Krebserkrankungen der Frau beläuft sich auf etwa 21 %. Inzwischen ist jede neunte Frau bedroht, während ihres Lebens an Brustkrebs zu erkranken. Die alterstandardisierte Mortalitätrate liegt derzeit bei knapp 27 %.rnrnDas Mammakarzinom hat eine relative geringe Wachstumsrate. Die Existenz eines diagnostischen Verfahrens, mit dem alle Mammakarzinome unter 10 mm Durchmesser erkannt und entfernt werden, würden den Tod durch Brustkrebs praktisch beseitigen. Denn die 20-Jahres-Überlebungsrate bei Erkrankung durch initiale Karzinome der Größe 5 bis 10 mm liegt mit über 95 % sehr hoch.rnrnMit der Kontrastmittel gestützten Bildgebung durch die MRT steht eine relativ junge Untersuchungsmethode zur Verfügung, die sensitiv genug zur Erkennung von Karzinomen ab einer Größe von 3 mm Durchmesser ist. Die diagnostische Methodik ist jedoch komplex, fehleranfällig, erfordert eine lange Einarbeitungszeit und somit viel Erfahrung des Radiologen.rnrnEine Computer unterstützte Diagnosesoftware kann die Qualität einer solch komplexen Diagnose erhöhen oder zumindest den Prozess beschleunigen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer vollautomatischen Diagnose Software, die als Zweitmeinungssystem eingesetzt werden kann. Meines Wissens existiert eine solche komplette Software bis heute nicht.rnrnDie Software führt eine Kette von verschiedenen Bildverarbeitungsschritten aus, die dem Vorgehen des Radiologen nachgeahmt wurden. Als Ergebnis wird eine selbstständige Diagnose für jede gefundene Läsion erstellt: Zuerst eleminiert eine 3d Bildregistrierung Bewegungsartefakte als Vorverarbeitungsschritt, um die Bildqualität der nachfolgenden Verarbeitungsschritte zu verbessern. Jedes kontrastanreichernde Objekt wird durch eine regelbasierte Segmentierung mit adaptiven Schwellwerten detektiert. Durch die Berechnung kinetischer und morphologischer Merkmale werden die Eigenschaften der Kontrastmittelaufnahme, Form-, Rand- und Textureeigenschaften für jedes Objekt beschrieben. Abschließend werden basierend auf den erhobenen Featurevektor durch zwei trainierte neuronale Netze jedes Objekt in zusätzliche Funde oder in gut- oder bösartige Läsionen klassifiziert.rnrnDie Leistungsfähigkeit der Software wurde auf Bilddaten von 101 weiblichen Patientinnen getested, die 141 histologisch gesicherte Läsionen enthielten. Die Vorhersage der Gesundheit dieser Läsionen ergab eine Sensitivität von 88 % bei einer Spezifität von 72 %. Diese Werte sind den in der Literatur bekannten Vorhersagen von Expertenradiologen ähnlich. Die Vorhersagen enthielten durchschnittlich 2,5 zusätzliche bösartige Funde pro Patientin, die sich als falsch klassifizierte Artefakte herausstellten.rn

Delayed gadolinium enhanced MRI of cartilage (dGEMRIC): Molekulare MRT-Bildgebung des Hüftgelenkknorpels [Delayed gadolinium enhanced MRI of cartilage (dGEMRIC): molecular MRI of hip joint cartilage]

Factors such as instability and impingement lead to early cartilage damage and osteoarthritis of the hip joint. The surgical outcome of joint-preserving surgery about the hip joint depends on the preoperative quality of joint cartilage.For in vivo evaluation of cartilage quality, different biochemically sensitive magnetic resonance imaging (MRI) procedures have been tested, some of which have the potential of inducing a paradigm shift in the evaluation and treatment of cartilage damage and early osteoarthritis.Instead of reacting to late sequelae in a palliative way, physicians could assess cartilage damage early on, and the treatment intensity could be adequate and based on the disease stage. Furthermore, the efficiency of different therapeutic interventions could be evaluated and monitored.This article reviews the recent application of delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage (dGEMRIC) and discusses its use for assessing cartilage quality in the hip joint. dGEMRIC is more sensitive to early cartilage changes in osteoarthritis than are radiographic measures and might be a helpful tool for assessing cartilage quality.

Multipair massive MIMO full-duplex relaying with MRC/MRT processing

We consider a multipair relay channel, where multiple sources communicate with multiple destinations with the help of a full-duplex (FD) relay station (RS). All sources and destinations have a single antenna, while the RS is equipped with massive arrays. We assume that the RS estimates the channels by using training sequences transmitted from sources and destinations. Then, it uses maximum-ratio combining/maximum-ratio transmission (MRC/MRT) to process the signals. To significantly reduce the loop interference (LI) effect, we propose two massive MIMO processing techniques: i) using a massive receive antenna array; or ii) using a massive transmit antenna array together with very low transmit power at the RS. We derive an exact achievable rate in closed-form and evaluate the system spectral efficiency. We show that, by doubling the number of antennas at the RS, the transmit power of each source and of the RS can be reduced by 1.5 dB if the pilot power is equal to the signal power and by 3 dB if the pilot power is kept fixed, while maintaining a given quality-of-service. Furthermore, we compare FD and half-duplex (HD) modes and show that FD improves significantly the performance when the LI level is low.

Ottimizzazione di un sistema di calcolo Voxel dosimetry e implementazione di grandezze radiobiologiche per MRT

Il presente lavoro di tesi nasce in seguito all’esperienza di tirocinio svolta presso l’Arcispedale Santa Maria Nuova di Reggio Emilia. Fulcro di questo lavoro è lo sviluppo di un sistema di pianificazione della dose per il trattamento dei pazienti sottoposti a Molecular Radionuclide Therapy (MRT). Presso tale struttura ospedaliera è già stato sviluppato uno strumento che si appoggia all’ambiente di lavoro Matlab per il calcolo dosimetrico. Tale programma è chiamato VoxelMed. Si tratta di uno strumento di calcolo che lavora al così detto voxel-level, tecnica di sviluppo recente che permette il calcolo della dose assorbita all’interno di un paziente in modo più dettagliato rispetto ai metodi di calcolo basati unicamente sulla stima media per organo, tipicamente impiegati in dosimetria tradizionale. Parte del lavoro di tesi consiste nell’implementare nuove modalità di calcolo ed aggiungere ulteriori accorgimenti all’attuale versione di VoxelMed. In VoxelMed è stata poi integrata ex-novo una componente di calcolo di misure radiobiologiche, in particolare della BED. La dose assorbita non è infatti un parametro sufficiente per valutare gli effetti della radiazione sui tessuti, a parità di tipo ed energia della radiazione gli effetti possono essere molto variabili. La BED è il parametro che tiene conto della risposta del tessuto sano o cancerogeno alla radiazione. Parte del lavoro è stato svolto sperimentalmente, tramite misure con fantocci acquisiti o preparati ad hoc. In particolare si sono utilizzati diverse tipologie di fantocci, per effettuare protocolli di calibrazione dei sistemi di acquisizione, misure di curve di effetto di volume parziale e test finali di verifica. Per un ulteriore verifica delle prestazioni di calcolo si sono effettuate misurazioni su un gruppo di pazienti e si sono confrontati i risultati con quelli ottenuti dal software maggiormente utilizzato nella pratica clinica, OLINDA/EXM.

Soil Carbon Turnover Measurement by Physical Fractionation at a Forest-to-Pasture Chronosequence in the Brazilian Amazon

The effect of conversion from forest-to-pasture upon soil carbon stocks has been intensively discussed, but few studies focus on how this land-use change affects carbon (C) distribution across soil fractions in the Amazon basin. We investigated this in the 20 cm depth along a chronosequence of sites from native forest to three successively older pastures. We performed a physicochemical fractionation of bulk soil samples to better understand the mechanisms by which soil C is stabilized and evaluate the contribution of each C fraction to total soil C. Additionally, we used a two-pool model to estimate the mean residence time (MRT) for the slow and active pool C in each fraction. Soil C increased with conversion from forest-to-pasture in the particulate organic matter (> 250 mu m), microaggregate (53-250 mu m), and d-clay (< 2 mu m) fractions. The microaggregate comprised the highest soil C content after the conversion from forest-to-pasture. The C content of the d-silt fraction decreased with time since conversion to pasture. Forest-derived C remained in all fractions with the highest concentration in the finest fractions, with the largest proportion of forest-derived soil C associated with clay minerals. Results from this work indicate that microaggregate formation is sensitive to changes in management and might serve as an indicator for management-induced soil carbon changes, and the soil C changes in the fractions are dependent on soil texture.

Does the acid hydrolysis-incubation method measure meaningful soil organic carbon pools?

The literature was reviewed and analyzed to determine the feasibility of using a combination of acid hydrolysis and CO2-C release during long-term incubation to determine soil organic carbon (SOC) pool sizes and mean residence times (MRTs). Analysis of 1100 data points showed the SOC remaining after hydrolysis with 6 M HCI ranged from 30 to 80% of the total SOC depending on soil type, depth, texture, and management. Nonhydrolyzable carbon (NHC) in conventional till soils represented 48% of SOC; no-till averaged 56%, forest 55%, and grassland 56%. Carbon dates showed an average of 1200 yr greater MRT for the NHC fraction than total SOC. Longterm incubation, involving measurement of CO2 evolution and curve fitting, measured active and slow pools. Active-pool C comprised 2 to 8% of the SOC with MRTs of days to months; the slow pool comprised 45 to 65% of the SOC and had MRTs of 10 to 80 yr. Comparison of field C-14 and (13) C data with hydrolysis-incubation data showed a high correlation between independent techniques across soil types and experiments. There were large differences in MRTs depending on the length of the experiment. Insertion of hydrolysis-incubation derived estimates of active (C-a), slow (C-s), and resistant Pools (C-r) into the DAYCENT model provided estimates of daily field CO2 evolution rates. These were well correlated with field CO2 measurements. Although not without some interpretation problems, acid hydrolysis-laboratory incubation is useful for determining SOC pools and fluxes especially when used in combination with associated measurements.