Fractal Analysis for Cancer Research: Case Study and Simulation of Fractals

2010 Mathematics Subject Classification: 65D18.

The fractal properties of the retinal vascular architecture

Purpose: The human retinal vasculature has been demonstrated to exhibit fractal, or statistically self similar properties. Fractal analysis offers a simple quantitative method to characterise the complexity of the branching vessel network in the retina. Several methods have been proposed to quantify the fractal properties of the retina. Methods: Twenty five healthy volunteers underwent retinal photography, retinal oximetry and ocular biometry. A robust method to evaluate the fractal properties of the retinal vessels is proposed; it consists of manual vessel segmentation and box counting of 50 degree retinal photographs centred on the fovea. Results: Data is presented on the associations between the fractal properties of the retinal vessels and various functional properties of the retina. Conclusion Fractal properties of the retina could offer a promising tool to assess the risk and prognostic factors that define retinal disease. Outstanding efforts surround the need to adopt a standardised protocol for assessing the fractal properties of the retina, and further demonstrate its association with disease processes.

Fractal analysis of flocs formed in edible oil -water emulsions by image analysis techniques

Edible oil is an important contaminant in water and wastewater. Oil droplets smaller than 40 μm may remain in effluent as an emulsion and combine with other contaminants in water. Coagulation/flocculation processes are used to remove oil droplets from water and wastewater. By adding a polymer at proper dose, small oil droplets can be flocculated and separated from water. The purpose of this study was to characterize and analyze the morphology of flocs and floc formation in edible oil-water emulsions by using microscopic image analysis techniques. The fractal dimension, concentration of polymer, effect of pH and temperature are investigated and analyzed to develop a fractal model of the flocs. Three types of edible oil (corn, olive, and sunflower oil) at concentrations of 600 ppm (by volume) were used to determine the optimum polymer dosage and effect of pH and temperature. To find the optimum polymer dose, polymer was added to the oil-water emulsions at concentration of 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0 and 3.5 ppm (by volume). The clearest supernatants obtained from flocculation of corn, olive, and sunflower oil were achieved at polymer dosage of 3.0 ppm producing turbidities of 4.52, 12.90, and 13.10 NTU, respectively. This concentration of polymer was subsequently used to study the effect of pH and temperature on flocculation. The effect of pH was studied at pH 5, 7, 9, and 11 at 30°C. Microscopic image analysis was used to investigate the morphology of flocs in terms of fractal dimension, radius of oil droplets trapped in floc, floc size, and histograms of oil droplet distribution. Fractal dimension indicates the density of oil droplets captured in flocs. By comparison of fractal dimensions, pH was found to be one of the most important factors controlling droplet flocculation. Neutral pH or pH 7 showed the highest degree of flocculation, while acidic (pH 5) and basic pH (pH 9 and pH 11) showed low efficiency of flocculation. The fractal dimensions achieved from flocculation of corn, olive, and sunflower oil at pH 7 and temperature 30°C were 1.2763, 1.3592, and 1.4413, respectively. The effect of temperature was explored at temperatures 20°, 30°, and 40°C and pH 7. The results of flocculation of oil at pH 7 and different temperatures revealed that temperature significantly affected flocculation. The fractal dimension of flocs formed in corn, olive and sunflower oil emulsion at pH 7 and temperature 20°, 30°, and 40°C were 1.82, 1.28, 1.29, 1.62, 1.36, 1.42, 1.36, 1.44, and 1.28, respectively. After comparison of fractal dimension, radius of oil droplets captured, and floc length in each oil type, the optimal flocculation temperature was determined to be 30°C. ^

Estudo de arranjos de antenas de microfita com Patch quase-fractal para comunicações sem fio

In this dissertation, are presented two microstrip antennas and two arrays for applications in wireless communication systems multiband. Initially, we studied an antenna and a linear array consisting of two elements identical to the patch antenna isolated. The shape of the patch used in both structures is based on fractal geometry and has multiband behavior. Next a new antenna is analyzed and a new array such as initial structure, but with the truncated ground plane, in order to obtain better bandwidths and return loss. For feeding the structures, we used microstrip transmission line. In the design of planar structures, was used HFSS software for the simulation. Next were built and measures electromagnetic parameters such as input impedance and return loss, using vector network analyzer in the telecommunications laboratory of Federal University of Rio Grande do Norte. The experimental results were compared with the simulated and showed improved return loss for the first array and also appeared a fourth band and increased directivity compared with the isolated antenna. The first two benefits are not commonly found in the literature. For structures with a truncated ground planes, the technique improved impedance matching, bandwidth and return loss when compared to the initial structure with filled ground planes. Moreover, these structures exhibited a better distribution of frequency, facilitating the adjustment of frequencies. Thus, it is expected that the planar structures presented in this study, particularly arrays may be suitable for specific applications in wireless communication systems when frequency multiband and wideband transmission signals are required.

Fluxo de fluído através de um meio poroso fractal desordenado. Análise das tensões de cisalhamento e efeito de escala na estimativa das forças viscosas

In this work we have investigated some aspects of the two-dimensional flow of a viscous Newtonian fluid through a disordered porous medium modeled by a random fractal system similar to the Sierpinski carpet. This fractal is formed by obstacles of various sizes, whose distribution function follows a power law. They are randomly disposed in a rectangular channel. The velocity field and other details of fluid dynamics are obtained by solving numerically of the Navier-Stokes and continuity equations at the pore level, where occurs actually the flow of fluids in porous media. The results of numerical simulations allowed us to analyze the distribution of shear stresses developed in the solid-fluid interfaces, and find algebraic relations between the viscous forces or of friction with the geometric parameters of the model, including its fractal dimension. Based on the numerical results, we proposed scaling relations involving the relevant parameters of the phenomenon, allowing quantifying the fractions of these forces with respect to size classes of obstacles. Finally, it was also possible to make inferences about the fluctuations in the form of the distribution of viscous stresses developed on the surface of obstacles.

Fractal analysis of the effect of particle aggregation distribution on thermal conductivity of nanofluids

This project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 41572116), the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China University of Geosciences, Wuhan) (No. CUG160602).

Análise fractal da vasculatura retínica: métodos de segmentação e de cálculo dimensional

Embora tenha sido proposto que a vasculatura retínica apresenta estrutura fractal, nenhuma padronização do método de segmentação ou do método de cálculo das dimensões fractais foi realizada. Este estudo objetivou determinar se a estimação das dimensões fractais da vasculatura retínica é dependente dos métodos de segmentação vascular e dos métodos de cálculo de dimensão. Métodos: Dez imagens retinográficas foram segmentadas para extrair suas árvores vasculares por quatro métodos computacionais (“multithreshold”, “scale-space”, “pixel classification” e “ridge based detection”). Suas dimensões fractais de “informação”, de “massa-raio” e “por contagem de caixas” foram então calculadas e comparadas com as dimensões das mesmas árvores vasculares, quando obtidas pela segmentação manual (padrão áureo). Resultados: As médias das dimensões fractais variaram através dos grupos de diferentes métodos de segmentação, de 1,39 a 1,47 para a dimensão por contagem de caixas, de 1,47 a 1,52 para a dimensão de informação e de 1,48 a 1,57 para a dimensão de massa-raio. A utilização de diferentes métodos computacionais de segmentação vascular, bem como de diferentes métodos de cálculo de dimensão, introduziu diferença estatisticamente significativa nos valores das dimensões fractais das árvores vasculares. Conclusão: A estimação das dimensões fractais da vasculatura retínica foi dependente tanto dos métodos de segmentação vascular, quanto dos métodos de cálculo de dimensão utilizados

Análisis fractal de procesos dimámicos en el océano

Programa de doctorado: Física, Matemáticas, Geología y Clima. La fecha de publicación es la fecha de lectura.

Análise fractal da vasculatura retínica: métodos de segmentação e de cálculo dimensional

Embora tenha sido proposto que a vasculatura retínica apresenta estrutura fractal, nenhuma padronização do método de segmentação ou do método de cálculo das dimensões fractais foi realizada. Este estudo objetivou determinar se a estimação das dimensões fractais da vasculatura retínica é dependente dos métodos de segmentação vascular e dos métodos de cálculo de dimensão. Métodos: Dez imagens retinográficas foram segmentadas para extrair suas árvores vasculares por quatro métodos computacionais (“multithreshold”, “scale-space”, “pixel classification” e “ridge based detection”). Suas dimensões fractais de “informação”, de “massa-raio” e “por contagem de caixas” foram então calculadas e comparadas com as dimensões das mesmas árvores vasculares, quando obtidas pela segmentação manual (padrão áureo). Resultados: As médias das dimensões fractais variaram através dos grupos de diferentes métodos de segmentação, de 1,39 a 1,47 para a dimensão por contagem de caixas, de 1,47 a 1,52 para a dimensão de informação e de 1,48 a 1,57 para a dimensão de massa-raio. A utilização de diferentes métodos computacionais de segmentação vascular, bem como de diferentes métodos de cálculo de dimensão, introduziu diferença estatisticamente significativa nos valores das dimensões fractais das árvores vasculares. Conclusão: A estimação das dimensões fractais da vasculatura retínica foi dependente tanto dos métodos de segmentação vascular, quanto dos métodos de cálculo de dimensão utilizados

Una introducci?n a la geometr?a fractal a trav?s del tratamiento de la autosimilitud integrando un ambiente de geometr?a din?mica

Los desarrollos que se dan en la geometr?a a partir de propuestas como la de B. Mandelbrot y que dan lugar al desarrollo de estructuras fractales son del inter?s para que en este trabajo de grado se pretenda abordar la visualizaci?n como un proceso que influye en el pensamiento, desde el acercamiento que se hace a la geometr?a fractal. Particularmente como los estudiantes de grado noveno entienden un objeto fractal desde la visualizaci?n del mismo, a partir de situaciones did?cticas que consideren algunas construcciones que se destacan en el contexto de la geometr?a fractal, entre las que encontramos el conjunto de Cantor, el tri?ngulo de Sierpinski y la curva de Koch. Sin dejar de lado la importancia que se le brinda a la llegada de las nuevas tecnolog?as de la informaci?n a las aulas y que en educaci?n podr?an ser generadoras de numerosas expectativas respecto al conocimiento.

Compressão fractal de imagens

Neste trabalho será apresentado um método recente de compressão de imagens baseado na teoria dos Sistemas de Funções Iteradas (SFI), designado por Compressão Fractal. Descrever-se-á um modelo contínuo para a compressão fractal sobre o espaço métrico completo Lp, onde será definido um operador de transformação fractal contractivo associado a um SFI local com aplicações. Antes disso, será introduzida a teoria dos SFIs no espaço de Hausdorff ou espaço fractal, a teoria dos SFIs Locais - uma generalização dos SFIs - e dos SFIs no espaço Lp. Fornecida a fundamentação teórica para o método será apresentado detalhadamente o algoritmo de compressão fractal. Serão também descritas algumas estratégias de particionamento necessárias para encontrar o SFI com aplicações, assim como, algumas estratégias para tentar colmatar o maior entrave da compressão fractal: a complexidade de codificação. Esta dissertação assumirá essencialmente um carácter mais teórico e descritivo do método de compressão fractal, e de algumas técnicas, já implementadas, para melhorar a sua eficácia.

Porosity imaged by a vector projection algorithm correlates with fractal dimension measured on 3D models obtained by microCT

International audience

Propuesta metodológica para el estudio de las nociones fundamentales de sistemas dinámicos, geometría fractal y teoría del caos usando el software Mathematica

Las matemáticas, como muchas otras áreas del pensamiento, han sufrido en el tercio central del siglo XX el impacto de la corriente filosófica estructuralista. Esta tendía a desplazar el centro de atención hacia los problemas de fundamentación por una parte, y por otra subrayaba la importancia de las estructuras abstractas como la de conjunto, grupo u otras, que se presentan en diversas áreas de las matemáticas. En general la corriente estructuralista impregna a las matemáticas de los métodos del álgebra y es compañera inevitable de una tendencia hacia la abstracción. El estructuralismo ha estado lejos de ser un factor determinante en el desarrollo de la producción matemática en el último siglo, ya que el volumen ingente de investigación volcada hacia las aplicaciones ha pesado de forma decisiva en el resultado global. Sin embargo, es en el ámbito de la enseñanza de las matemáticas donde la influencia del estructuralismo ha sido más profunda, penetrando en los programas a todos los niveles educativos y provocando que al estudiar matemáticas, los estudiantes se queden con la impresión de que no hay nada nuevo en matemáticas desde Euclides o Pitágoras, es decir, desde hace más de 2000 años. Con un poco de suerte, algunos se cree que las matemáticas dejaron de desarrollarse después de la creación del cálculo diferencial e integral (hace unos 300 años), en cambio no tenemos la misma impresión sobre otras ciencias como física, química o biología. La geometría fractal, cuyos primeros desarrollos datan de finales del siglo XIX, ha recibido durante los últimos treinta años, desde la publicación de los trabajos de Mandelbrot, una atención y un auge crecientes. Lejos de ser simplemente una herramienta de generación de impresionantes paisajes virtuales, la geometría fractal viene avalada por la teoría geométrica de la medida y por innumerables aplicaciones en ciencias tan dispares como la Física, la Química, la Economía o, incluso, la Informática.

Caveat Fractal: Dissecting the Body of Indexing Theory, Uncovering Complexity, and Moving Toward Performativity

Research poster about indexing theory