Automatic Segmentation of the Eye in 3D Magnetic Resonance Imaging: A Novel Statistical Shape Model for Treatment Planning of Retinoblastoma.

PURPOSE: Proper delineation of ocular anatomy in 3-dimensional (3D) imaging is a big challenge, particularly when developing treatment plans for ocular diseases. Magnetic resonance imaging (MRI) is presently used in clinical practice for diagnosis confirmation and treatment planning for treatment of retinoblastoma in infants, where it serves as a source of information, complementary to the fundus or ultrasonographic imaging. Here we present a framework to fully automatically segment the eye anatomy for MRI based on 3D active shape models (ASM), and we validate the results and present a proof of concept to automatically segment pathological eyes. METHODS AND MATERIALS: Manual and automatic segmentation were performed in 24 images of healthy children's eyes (3.29 ± 2.15 years of age). Imaging was performed using a 3-T MRI scanner. The ASM consists of the lens, the vitreous humor, the sclera, and the cornea. The model was fitted by first automatically detecting the position of the eye center, the lens, and the optic nerve, and then aligning the model and fitting it to the patient. We validated our segmentation method by using a leave-one-out cross-validation. The segmentation results were evaluated by measuring the overlap, using the Dice similarity coefficient (DSC) and the mean distance error. RESULTS: We obtained a DSC of 94.90 ± 2.12% for the sclera and the cornea, 94.72 ± 1.89% for the vitreous humor, and 85.16 ± 4.91% for the lens. The mean distance error was 0.26 ± 0.09 mm. The entire process took 14 seconds on average per eye. CONCLUSION: We provide a reliable and accurate tool that enables clinicians to automatically segment the sclera, the cornea, the vitreous humor, and the lens, using MRI. We additionally present a proof of concept for fully automatically segmenting eye pathology. This tool reduces the time needed for eye shape delineation and thus can help clinicians when planning eye treatment and confirming the extent of the tumor.

Reconstruction of 3D Planar Objects with Partial Occlusion

Kolmiulotteisten kappaleiden rekonstruktio on yksi konenäön haastavimmista ongelmista, koska kappaleiden kolmiulotteisia etäisyyksiä ei voida selvittää yhdestä kaksiulotteisesta kuvasta. Ongelma voidaan ratkaista stereonäön avulla, jossa näkymän kolmiulotteinen rakenne päätellään usean kuvan perusteella. Tämä lähestymistapa mahdollistaa kuitenkin vain rekonstruktion niille kappaleiden osille, jotka näkyvät vähintään kahdessa kuvassa. Piilossa olevien osien rekonstruktio ei ole mahdollista pelkästään stereonäön avulla. Tässä työssä on kehitetty uusi menetelmä osittain piilossa olevien kolmiulotteisten tasomaisten kappaleiden rekonstruktioon. Menetelmän avulla voidaan selvittää hyvällä tarkkuudella tasomaisista pinnoista koostuvan kappaleen muoto ja paikka käyttäen kahta kuvaa kappaleesta. Menetelmä perustuu epipolaarigeometriaan, jonka avulla selvitetään molemmissa kuvissa näkyvät kappaleiden osat. Osittain piilossa olevien piirteiden rekonstruointi suoritetaan käyttämäen stereonäköä sekä tietoa kappaleen rakenteesta. Esitettyä ratkaisua voitaisiin käyttää esimerkiksi kolmiulotteisten kappaleiden visualisointiin, robotin navigointiin tai esineentunnistukseen.

Kuristettujen isotermisen vesivirtausten kolmidimensionaalinen mallintaminen

Työssä on tutkittu CFX ja Fluent virtauslaskentaohjelmien soveltavuutta kuristet-tujen isotermisten vesivirtausten kolmidimensionaaliseen mallintamiseen. Teoriaosassa on esitelty virtausta hallitsevat perusyhtälöt sekä eri kavitaatioteori-oita kavitaatiokuplan syntymisestä tuhoutumiseen. Laskennallisessa osassa esitellään käytetyt virtauslaskentaohjelmat ja laskentatapaukset sekä verrataan saatuja tuloksia aiemmin suoritettuihin mittauksiin. Työn pääpaino oli tutkia käytettyjen virtauslaskentaohjelmien soveltuvuutta kuris-tettujen virtauksien mallinnukseen.

Laatujärjestelmän rakentaminen ja laatukäsikirjan mallintaminen energiayhtiölle

Työ on osa Kotkan Energia Oy:ssä toteutettua laatuprojektia. Työllä haettiin uutta, oikeaa suuntaa jo aiemmin käynnistetylle laadun kehitykselle. Työn tavoitteena oli rakentaa yhtiölle asiakaslähtöinen laatujärjestelmä, joka kattaa kaikki Kotkan Energian toiminnot. Lisäksi diplomityöhön kuului järjestelmän dokumentointi ja erityisesti laatukäsikirjan mallintaminen. Laatujärjestelmän pohjana käytettiin ISO DIS 9001:2000 -laatustandardiehdotusta. Uudistetun standardiluonnoksen katsottiin palvelevan vanhoja ISO-laatustan-dardeja paremmin energiayhtiön tarpeita, koska ehdotus korostaa asiakastyytyväisyyttä, prosessiajattelua ja jatkuvaa parantamista. Diplomityöprojekti jakaantui selkeästi kolmeen osaan. Ensimmäisessä vaiheessa laatujärjestelmän ja laadun kehittämisen nykytilanne kartoitettiin haastattelujen ja aiemmin laaditun laatumateriaalin avulla. Selvityksen perusteella toisessa vaiheessa tehtiin kehitysehdotuksia ja -suunnitelmia sekä käynnistettiin järjestelmän perusrakenteiden luominen ja henkilöstön koulutus. Laatujärjestelmän keskeisiä osia rakennettiin yhteistyössä koko henkilöstön kanssa. Diplomityön kolmannessa vaiheessa Kotkan Energian menettelytavat dokumentoitiin laatukäsikirjan asiakirjoiksi. Dokumentointiin sisältyivät sekä vanhat, uudistetut että suunnitellut toimintaperiaatteet. Samalla käynnistettiin myös prosessien menettelyohjeiden laatiminen. Laatuprojektin aikana kehitettiin useita uusia ja toimivia käytäntöjä sekä niihin liittyviä dokumentteja. Näiden luotujen menettelytapojen kautta on jo saatu aikaan laadun parannusta. Osana työtä luotiin Kotkan Energian prosessien kuvaustapa. Muita tärkeimpiä ideoituja ja toteutettuja uusia työkaluja laadun hallintaan ovat tiimisopimus, asiakaspalautelomake, toimittajien arviointilomake, poikkeamaraportti sekä koulutus- ja matkatietolomake. Laatujärjestelmän viimeistelyyn ja kehittämiseen liittyvät ideat jalostettiin jatkosuunnitelmiksi.

Single breath-hold 3D measurement of left atrial volume using compressed sensing cardiovascular magnetic resonance and a non-model-based reconstruction approach.

BACKGROUND: Left atrial (LA) dilatation is associated with a large variety of cardiac diseases. Current cardiovascular magnetic resonance (CMR) strategies to measure LA volumes are based on multi-breath-hold multi-slice acquisitions, which are time-consuming and susceptible to misregistration. AIM: To develop a time-efficient single breath-hold 3D CMR acquisition and reconstruction method to precisely measure LA volumes and function. METHODS: A highly accelerated compressed-sensing multi-slice cine sequence (CS-cineCMR) was combined with a non-model-based 3D reconstruction method to measure LA volumes with high temporal and spatial resolution during a single breath-hold. This approach was validated in LA phantoms of different shapes and applied in 3 patients. In addition, the influence of slice orientations on accuracy was evaluated in the LA phantoms for the new approach in comparison with a conventional model-based biplane area-length reconstruction. As a reference in patients, a self-navigated high-resolution whole-heart 3D dataset (3D-HR-CMR) was acquired during mid-diastole to yield accurate LA volumes. RESULTS: Phantom studies. LA volumes were accurately measured by CS-cineCMR with a mean difference of -4.73 ± 1.75 ml (-8.67 ± 3.54%, r2 = 0.94). For the new method the calculated volumes were not significantly different when different orientations of the CS-cineCMR slices were applied to cover the LA phantoms. Long-axis "aligned" vs "not aligned" with the phantom long-axis yielded similar differences vs the reference volume (-4.87 ± 1.73 ml vs. -4.45 ± 1.97 ml, p = 0.67) and short-axis "perpendicular" vs. "not-perpendicular" with the LA long-axis (-4.72 ± 1.66 ml vs. -4.75 ± 2.13 ml; p = 0.98). The conventional bi-plane area-length method was susceptible for slice orientations (p = 0.0085 for the interaction of "slice orientation" and "reconstruction technique", 2-way ANOVA for repeated measures). To use the 3D-HR-CMR as the reference for LA volumes in patients, it was validated in the LA phantoms (mean difference: -1.37 ± 1.35 ml, -2.38 ± 2.44%, r2 = 0.97). Patient study: The CS-cineCMR LA volumes of the mid-diastolic frame matched closely with the reference LA volume (measured by 3D-HR-CMR) with a difference of -2.66 ± 6.5 ml (3.0% underestimation; true LA volumes: 63 ml, 62 ml, and 395 ml). Finally, a high intra- and inter-observer agreement for maximal and minimal LA volume measurement is also shown. CONCLUSIONS: The proposed method combines a highly accelerated single-breathhold compressed-sensing multi-slice CMR technique with a non-model-based 3D reconstruction to accurately and reproducibly measure LA volumes and function.

Markkinaehtoinen hinnoittelu ja loppuasiakasmyynnin mallintaminen sähkökaupan riskienhallinnassa

Markkinauudistuksen myötä sähkökauppa pörssin kautta on lisääntynyt voimakkaasti ja tukkusähkölle on muodostunut yleisesti tunnustettu markkinahinta. Pörssikauppaan sisältyy monia riskejä, joiden hallinta on pörssikauppaa harjoittavan osapuolen toiminnan edellytys. Tukkusähkön hinnan markkinaehtoinen määräytyminen ja pörssikaupan riskit ovat muuttaneet sähkön vähittäismyynnin hinnoittelutarpeita. Työssä esitetään markkinaehtoinen hinnoittelumenetelmä, jossa markkinahinta-, aluehinta- ja profiiliriskit otetaan huomioon. Erityisesti tutkitaan hinnoittelussa vaikeimmin huomioitavissa olevan profiiliriskin muodostumista ja esitetään menetelmä sen hallintaan. Lisäksi esitetään menetelmät suojaustason optimointiin ja suojaustuotteiden toimitusjaksoista poikkeavan sähköntoimituksen hinnoitteluun. Kilpaillussa ympäristössä pärjää parhaiten se, joka toimii kustannustehokkaimmin ja hallitsee riskinsä parhaiten. Työn lopuksi esitetään kuinka myyntisopimuskannan salkuttamista voidaan käyttää hyväksi näihin tavoitteisiin pyrittäessä.

Helical tomotherapy for the treatment of anal canal cancer: a dosimetric comparison with 3D conformal radiotherapy.

AIMS AND BACKGROUND: The standard treatment of anal canal cancer (ACC) is combined chemotherapy and radiation therapy (RT), which is complex because of the shape of the target volumes and the need to minimize the irradiation of normal pelvic structures. In this study we compared the dosimetric results of helical tomotherapy (HT) plans with traditional 3D conformal RT (3DRT) plans for the treatment of ACC. METHODS AND STUDY DESIGN: Twelve patients (median age 57 years, range 38-83; F/M 8/4) treated with HT and concurrent chemotherapy for locally advanced ACC were selected. All had histologically confirmed squamous-cell carcinoma. A clinical target volume including the tumor and pelvic and inguinal lymph nodes was treated with HT to a total dose of 36 Gy in 1.8-Gy daily fractions. Then a sequential boost of 23.4 Gy in 1.8-Gy daily fractions (total dose 59.4 Gy) was delivered to the tumor and involved nodes. For all 12 patients, 3DRT plans were generated for comparison. Treatment plans were evaluated by means of standard dose-volume histograms. Dose coverage of the planning target volumes (PTVs), homogeneity index (HI), and mean doses to organs at risk (OARs) were compared. RESULTS: The coverage of PTV was comparable between the two treatment plans. HI was better in the HT vs. 3DRT plans (1.25 and 3.57, respectively; p<0.0001). HT plans resulted in better sparing of OARs (p<0.0001). CONCLUSIONS: HT showed superior target dose conformality and significant sparing of pelvic structures compared with 3DRT. Further investigation should determine if these dosimetric improvements will improve clinical outcomes regarding locoregional control, survival, and treatment-related acute and late morbidity.

Moottoripolttoaineiden ominaisuuksien mallintaminen

Työn tavoitteena on selvittää voidaanko neuroverkkoa käyttää mallintamaan ja ennustamaan polttoaineen vaikutusta nykyaikaisen auton päästöihin. Näin pystyttäisiin vähentämään aikaa vievien ja kalliiden koeajojen tarvetta. Työ tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja Fortum Oy:n yhteistyöprojektissa. Työssä tehtiin kolme erilaista mallia. Ensimmäisenä tehtiin autokohtainen malli, jolla pyrittiin ennustamaan autokohtaista käyttäytymistä. Toiseksi kokeiltiin mallia, jossa automalli oli yhtenä syötteenä. Kolmantena yritettiin kiertää eräitä aineiston ongelmia käyttämällä "sumeutettuja" polttoaineiden koostumuksia. Työssä käytettiin MLP-neuroverkkoa, joka opetettiin backpropagation algoritmilla. Työssä havaittiin ettei käytettävissä olleella aineistolla ja käytetyillä malleilla pystytä riittävällä tarkkuudella mallintamaan polttoaineen vaikutusta päästöihin. Aineiston ongelmia olivat mm. suuret mittausvarianssit, aineiston pieni määrä sekä aineiston soveltumattomuus neuroverkolla mallintamiseen.

3D-suunnittelujärjestelmän ja tuotetiedonhallintajärjestelmän integrointi

3D-suunnittelujärjestelmät ovat tärkeitä työkaluja tuotetiedon luomista ja muokkaamista varten, joten niiden tehokas toiminta yhdessä tuotetiedonhallintajärjestelmien kanssa on erittäin tärkeää. 3D-suunnittelujärjestelmien kehityksen seurauksena 3D-malleihin voidaan sisällyttää entistä enemmän tuotetietoa, jolloin tehokas tiedon tallentaminen ja sen hallinta kasvattaa merkitystään. 3D-malleihin sisältyvää tietoa, kuten esimerkiksi kappaleen painoa tai geometriaa, halutaan myös tarkastella ilman tiettyä 3D-järjestelmää. Tuotetiedon hallinta on ollut jo pitkään tärkeä osa tuotteen suunnitteluprosessia. Tuotetiedon hallintaan sisältyy tiedon luomista, keräämistä ja muokkaamista koko tuotteen eliniän ajan. Näitä tietoja voivat olla esimerkiksi piirustukset, 3D-mallit, mittauspöytäkirjat, kokouspöytäkirjat, mallistoluettelot, lujuuslaskelmat, huoltoraportit jne. Tuotetiedonhallintajärjestelmä pitää huolta kaikesta tästä tiedosta ja sen kautta tuotteisiin liittyvää tietoa voidaan myös muokata ja jakaa tehokkaasti. Tässä diplomityössä tutkittiin näiden kahden järjestelmän integraation toteutusta erilaisilla menetelmillä. Työn tarkoituksena oli valita Valtra Oy:n tarkoituksiin parhaiten sopiva menetelmä tuotetiedon siirtämiseksi järjestelmien välillä tehokkaasti. Työn tuloksena annetaan suositus käytettävistä menetelmistä ja työkaluista.

Tuotteen suunnitteluketjun tehostaminen 3D-ympäristössä

Tämä diplomityö on tehty Andritz Oy:lle Washers & Filters tuoteryhmään. Työ on osa 3D-suunnittelujärjestelmän käyttöönottoprojektia. Tavoitteena on arvioida uuden laitesuunnittelujärjestelmän vaikutuksia yrityksen tietojärjestelmiin ja toimintatapoihin sekä etsiä potentiaalisia tulevaisuuden kehityskohteita. Suunnittelutietoa hyödyntäviä sidosryhmien edustajia haastattelemalla selvitettiin järjestelmille ja ohjelmistoille asetettavia vaatimuksia. Ohjelmistoihin tutustumalla saatiin käsitys niiden nykytilasta ja kehityssuunnista. 3D-geometrian hyödyntämiseen perustuvilla järjestelmillä voidaan poistaa päällekäistä työtä sekä lyhentää läpimenoaikoja suunnittelussa ja valmistuksessa sijoittamalla työvaiheita rinnakkain. Suurimmat 3D-suunnittelun edut saavutetaan tuotekehitysvaiheessa, tuotemuutoksia tehtäessä sekä valmistusprosesseja suunniteltaessa. Ongelmallisimmat osa-alueet tietojärjestelmien kehittämisessä ovat ensi-sijaisesti tiedonsiirto ohjelmistojen välillä, työntekijöiden muutosvastarinta sekä laadukkaiden järjestelmien korkea hinta. Laajojen tietojärjestelmä-projektien läpivienti on hyvin haastavaa ja onnistuminen vaatii kaikkien sidosryhmien mukana olemista ja tarkkaa projektin koordinointia.

Strategisten reaalioptioiden mallintaminen Monte Carlo -simulointimenetelmällä, case Voest Alpine Stahl Ag

Tutkielman päätavoitteena oli selvittää, miten Monte Carlo –simulointi soveltuu strategisten reaalioptioiden arvonmääritykseen. Tutkielman teoriaosuudessa käytiin läpi reaalioptioteoriaa ja Monte Carlo –simulointimenetelmää toiminta-analyyttisella tutkimusotteella. Tuloksena todettiin, että simulointimenetelmää on reaalioptioiden yhteydessä yleensä käytetty, kun muu menetelmä ei ole ollut mahdollinen. Tutkielman pääpaino on tapaustutkimukseen pohjautuvassa empiriaosuudessa, jossa rakennettiin päätöksentekometodologista tutkimusotetta seuraten simulointimalli, jolla tutkittiin Voest Alpine Stahl Ag:n vaihtoehtoisten hinnoittelustrategioiden taloudellista vaikutusta. Mallin rakentaminen perustui yrityksen tilinpäätösaineistoon. Havaittiin, ettei yritys ole valitsemansa strategian vuoksi juurikaan menettänyt tuottoja, mutta toisaalta pelkkä tilinpäätösaineisto ei riitä kovin luotettavaan tarkasteluun. Vuosikertomusten antaman tiedon pohjalta analysoitiin lisäksi yrityksen toiminnassa havaittuja reaalioptioita. Monte Carlo –simulointimenetelmä sopii reaalioptioiden arvonmääritykseen, mutta kriittisiä tekijöitä ovat mallin rakentaminen ja lähtötietojen oikeellisuus. Numeerisen mallin rinnalla on siksi aiheellista suorittaa myös laadullista reaalioptioanalyysia.

Ultra-high-resolution 3D imaging of atherosclerosis in mice with synchrotron differential phase contrast: a proof of concept study.

The goal of this study was to investigate the performance of 3D synchrotron differential phase contrast (DPC) imaging for the visualization of both macroscopic and microscopic aspects of atherosclerosis in the mouse vasculature ex vivo. The hearts and aortas of 2 atherosclerotic and 2 wild-type control mice were scanned with DPC imaging with an isotropic resolution of 15 μm. The coronary artery vessel walls were segmented in the DPC datasets to assess their thickness, and histological staining was performed at the level of atherosclerotic plaques. The DPC imaging allowed for the visualization of complex structures such as the coronary arteries and their branches, the thin fibrous cap of atherosclerotic plaques as well as the chordae tendineae. The coronary vessel wall thickness ranged from 37.4 ± 5.6 μm in proximal coronary arteries to 13.6 ± 3.3 μm in distal branches. No consistent differences in coronary vessel wall thickness were detected between the wild-type and atherosclerotic hearts in this proof-of-concept study, although the standard deviation in the atherosclerotic mice was higher in most segments, consistent with the observation of occasional focal vessel wall thickening. Overall, DPC imaging of the cardiovascular system of the mice allowed for a simultaneous detailed 3D morphological assessment of both large structures and microscopic details.

El Cascanueces en 3D', versión libre de la adaptación del cuento de Hoffmann

Las navidades pasadas se presentó en las salas de cine El Cascanueces en 3D. Se trata de una adaptación libre del cuento de hadas de Navidad El Cascanueces y el rey de los ratones,2 creado por un escritor, músico, pintor, dramaturgo y jurista alemán llamado Ernst Theodor Amadeus Hoffmann3 (1776-1822). Hoffmann, gran admirador de Mozart, cambió su tercer nombre por el del músico austriaco y durante muchos años se ganó la vida como crítico musical,compositor y director de orquesta