A MatLAB Based Virtual Phantom for 2D Electrical Impedance Tomography (MatVP2DEIT): Studying the Medical Electrical Impedance Tomography Reconstruction in Computer

Electrical Impedance Tomography (EIT) is a computerized medical imaging technique which reconstructs the electrical impedance images of a domain under test from the boundary voltage-current data measured by an EIT electronic instrumentation using an image reconstruction algorithm. Being a computed tomography technique, EIT injects a constant current to the patient's body through the surface electrodes surrounding the domain to be imaged (Omega) and tries to calculate the spatial distribution of electrical conductivity or resistivity of the closed conducting domain using the potentials developed at the domain boundary (partial derivative Omega). Practical phantoms are essentially required to study, test and calibrate a medical EIT system for certifying the system before applying it on patients for diagnostic imaging. Therefore, the EIT phantoms are essentially required to generate boundary data for studying and assessing the instrumentation and inverse solvers a in EIT. For proper assessment of an inverse solver of a 2D EIT system, a perfect 2D practical phantom is required. As the practical phantoms are the assemblies of the objects with 3D geometries, the developing of a practical 2D-phantom is a great challenge and therefore, the boundary data generated from the practical phantoms with 3D geometry are found inappropriate for assessing a 2D inverse solver. Furthermore, the boundary data errors contributed by the instrumentation are also difficult to separate from the errors developed by the 3D phantoms. Hence, the errorless boundary data are found essential to assess the inverse solver in 2D EIT. In this direction, a MatLAB-based Virtual Phantom for 2D EIT (MatVP2DEIT) is developed to generate accurate boundary data for assessing the 2D-EIT inverse solvers and the image reconstruction accuracy. MatVP2DEIT is a MatLAB-based computer program which simulates a phantom in computer and generates the boundary potential data as the outputs by using the combinations of different phantom parameters as the inputs to the program. Phantom diameter, inhomogeneity geometry (shape, size and position), number of inhomogeneities, applied current magnitude, background resistivity, inhomogeneity resistivity all are set as the phantom variables which are provided as the input parameters to the MatVP2DEIT for simulating different phantom configurations. A constant current injection is simulated at the phantom boundary with different current injection protocols and boundary potential data are calculated. Boundary data sets are generated with different phantom configurations obtained with the different combinations of the phantom variables and the resistivity images are reconstructed using EIDORS. Boundary data of the virtual phantoms, containing inhomogeneities with complex geometries, are also generated for different current injection patterns using MatVP2DEIT and the resistivity imaging is studied. The effect of regularization method on the image reconstruction is also studied with the data generated by MatVP2DEIT. Resistivity images are evaluated by studying the resistivity parameters and contrast parameters estimated from the elemental resistivity profiles of the reconstructed phantom domain. Results show that the MatVP2DEIT generates accurate boundary data for different types of single or multiple objects which are efficient and accurate enough to reconstruct the resistivity images in EIDORS. The spatial resolution studies show that, the resistivity imaging conducted with the boundary data generated by MatVP2DEIT with 2048 elements, can reconstruct two circular inhomogeneities placed with a minimum distance (boundary to boundary) of 2 mm. It is also observed that, in MatVP2DEIT with 2048 elements, the boundary data generated for a phantom with a circular inhomogeneity of a diameter less than 7% of that of the phantom domain can produce resistivity images in EIDORS with a 1968 element mesh. Results also show that the MatVP2DEIT accurately generates the boundary data for neighbouring, opposite reference and trigonometric current patterns which are very suitable for resistivity reconstruction studies. MatVP2DEIT generated data are also found suitable for studying the effect of the different regularization methods on reconstruction process. Comparing the reconstructed image with an original geometry made in MatVP2DEIT, it would be easier to study the resistivity imaging procedures as well as the inverse solver performance. Using the proposed MatVP2DEIT software with modified domains, the cross sectional anatomy of a number of body parts can be simulated in PC and the impedance image reconstruction of human anatomy can be studied.

Extraction of fibre network architecture by X-ray tomography and prediction of elastic properties using an affine analytical model

This paper proposes a method for extracting reliable architectural characteristics from complex porous structures using micro-computed tomography (μCT) images. The work focuses on a highly porous material composed of a network of fibres bonded together. The segmentation process, allowing separation of the fibres from the remainder of the image, is the most critical step in constructing an accurate representation of the network architecture. Segmentation methods, based on local and global thresholding, were investigated and evaluated by a quantitative comparison of the architectural parameters they yielded, such as the fibre orientation and segment length (sections between joints) distributions and the number of inter-fibre crossings. To improve segmentation accuracy, a deconvolution algorithm was proposed to restore the original images. The efficacy of the proposed method was verified by comparing μCT network architectural characteristics with those obtained using high resolution CT scans (nanoCT). The results indicate that this approach resolves the architecture of these complex networks and produces results approaching the quality of nanoCT scans. The extracted architectural parameters were used in conjunction with an affine analytical model to predict the axial and transverse stiffnesses of the fibre network. Transverse stiffness predictions were compared with experimentally measured values obtained by vibration testing. © 2011 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

The geometry and the number of contacts of monodisperse sphere packs using X-ray tomography

The three-dimensional structure of very large samples of monodisperse bead packs is studied by means of X-Ray Computed Tomography. We retrieve the coordinatesofeach bead inthe pack and wecalculate the average coordination number by using the tomographic images to single out the neighbors in contact. The results are compared with the average coordination number obtained in Aste et al. (2005) by using a deconvolution technique. We show that the coordination number increases with the packing fraction, varying between 6.9 and 8.2 for packing fractions between 0.59 and 0.64. © 2005 Taylor & Francis Group.

High-Resolution CT for Small-Animal Imaging Research

Preclinical imaging has a critical role in phenotyping, in drug discovery, and in providing a basic understanding of mechanisms of disease. Translating imaging methods from humans to small animals is not an easy task. The purpose of this work is to review high-resolution computed tomography (CT) also known as micro-CT for small-animal imaging. We present the principles, the technologies, the image quality parameters, and the types of applications. We show that micro-CT can be used to provide not only morphological but also functional information such as cardiac function or vascular permeability. Another way in which micro-CT can be used in the study of both function and anatomy is by combining it with other imaging modalities, such as positron emission tomography or single-photon emission tomography. Compared to other modalities, micro-CT imaging is usually regarded as being able to provide higher throughput at lower cost and higher resolution. The limitations are usually associated with the relatively poor contrast mechanisms and the radiation damage, although the use of novel nanoparticle-based contrast agents and careful design of studies can address these limitations.

Microcomputed tomography imaging in a rat model of delayed union/non-union fracture

We aimed to develop a clinically relevant delayed union/non-union fracture model to evaluate a cell therapy intervention repair strategy. Histology, three-dimensional (3D) micro-computed tomography (micro-CT) imaging and mechanical testing were utilized to develop an analytical protocol for qualitative and quantitative assessment of fracture repair. An open femoral diaphyseal osteotomy, combined with periosteal diathermy and endosteal excision, was held in compression by a four pin unilateral external fixator. Three delayed union/non-union fracture groups established at 6 weeks-(a) a control group, (b) a cell therapy group, and (c) a group receiving phosphate-buffered saline (PBS) injection alone-were examined subsequently at 8 and 14 weeks. The histological response was combined fibrous and cartilaginous non-unions in groups A and B with fibrous non-unions in group C. Mineralized callus volume/total volume percentage showed no statistically significant differences between groups. Endosteal calcified tissue volume/endosteal tissue volume, at the center of the fracture site, displayed statistically significant differences between 8 and 14 weeks for cell and PBS intervention groups but not for the control group. The percentage load to failure was significantly lower in the control and cell treatment groups than in the PBS alone group. High-resolution micro-CT imaging provides a powerful tool to augment characterization of repair in delayed union/non-union fractures together with outcomes such as histology and mechanical strength measurement. Accurate, nondestructive, 3D identification of mineralization progression in repairing fractures is enabled in the presence or absence of intervention strategies. (c) 2007 Orthopaedic Research Society.

A Benefit-Risk Assessment Framework for Development of Clinical Guidelines in Diagnostic Radiology

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2015-12

Optimization and validation of a new 3D-US imaging robot to detect, localize and quantify lower limb arterial stenoses

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients. L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5).

Suivi des vaisseaux sanguins en temps réel à partir d’images ultrasonores mode-B et reconstruction 3D : application à la caractérisation des sténoses artérielles

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain.

Isolated greater tuberosity fractures of the proximal humerus : validation and clinical implications for a new radiologic measurement method and classification

Pre-publication drafts are reproduced with permission and copyright © 2013 of the Journal of Orthopaedic Trauma [Mutch J, Rouleau DM, Laflamme GY, Hagemeister N. Accurate Measurement of Greater Tuberosity Displacement without Computed Tomography: Validation of a method on Plain Radiography to guide Surgical Treatment. J Orthop Trauma. 2013 Nov 21: Epub ahead of print.] and copyright © 2014 of the British Editorial Society of Bone and Joint Surgery [Mutch JAJ, Laflamme GY, Hagemeister N, Cikes A, Rouleau DM. A new morphologic classification for greater tuberosity fractures of the proximal humerus: validation and clinical Implications. Bone Joint J 2014;96-B:In press.]

Étude comparative de l'imagerie dans l'évaluation de l'ostéoarthrose du grasset chez le cheval

Les objectifs de cette étude étaient (1) de décrire la localisation et la sévérité des lésions d’ostéoarthrose (OA) chroniques acquises naturellement au niveau du grasset équin grâce à l’échographie (US), la radiographie (XR), la tomodensitométrie (CT) et l’évaluation macroscopique (ME), (2) de comparer la performance diagnostique de chacune des modalities d’imagerie avec ME et (3) d’évaluer quantitativement la densité osseuse sous-chondrale lors d’OA du grasset chez le cheval à la tomodensitométrie. Des évaluations post mortem radiographique, tomodensitométrique et échographique ont été réalisées sur 23 grassets cadavériques et comparées à l’évaluation macroscopique. Des associations significatives ont été notées entre le «osteophytes global score» de toutes les modalités (US, p=0.04; XR, p=0.005; CT, p˂0.0001) et ME. De plus, la tomodensitométrie a démontré la plus forte association. Les ostéophytes étaient principalement localisés au niveau de l’articulation fémorotibiale médiale et cette articulation présentait également les scores d’ostéophytes les plus sévères. Un patron spécifique d’ostéophytes associé à l’insertion de la capsule articulaire sur le condyle fémoral médial a été mis en évidence. La nouvelle projection radiographique (Ca10Pr5L-CrDiMO) a été utile dans la détection des ostéophytes de la région intercondylaire. Les grades d’ostéophytes (0-3) ne différaient pas significativement selon la modalité dans la majorité des sites. La faible sensibilité/spécificité a indiqué que la sclérose de l’os sous-chondral et l’applatissement des condyles fémoraux ne semblent pas être des indicateurs fiables d’OA du grasset équin. L’OA du grasset équin est associée à une réduction de la densité osseuse sous-chondrale et des sites spécifiques de résorption/kystes sous-chondraux ont été notés chez certains spécimens.

Utilidad de la resonancia magnética en el diagnóstico de apendicitis aguda

Comparar el resultado de la resonancia magnética en el diagnóstico de apendicitis aguda con el patrón de oro (estudio histopatológico o seguimiento clínico del paciente) con el fin de establecer la utilidad de ésta como prueba diagnóstica y poder incluirla dentro del algoritmo de estudio de esta patología cuando hay sospecha clínica y un resultado negativo o dudoso de la ecografía abdominal

Verification of computed tomographic estimates of cochlear implant array position: A micro-CT and histological analysis

We examine the efficacy two volume spatial registration of pre and postoperative clinical computed tomography (CT) imaging to verify post-operative electrode array placement in cochlear implant (CI) patients. To measure the degree of accuracy with which the composite image predicts in-vivo placement of the array, we replicate the CI surgical process in cadaver heads. Pre-operative, post-operative, micro CT imaging and histology are utilized for verification.

Three dimensional analysis of cardiovascular development in mouse embryos using X-ray microcomputed tomography

Micro-computed tomography (μCT) has been successfully used to study the cardiovascular system of mouse embryos in situ. With the use of barium as a suitable contrast agent, blood vessels have been imaged and analysed quantitatively such as blood volume and vessel sizes on embryos of ages 14.5 to 16.5 days old. The advantage of using this imaging modality is that it has provided three dimensional information whilst leaving samples intact for further study.

Computed tomographic-dacryocystography (CT-DCG) of the normal canine nasolacrimal drainage system with three-dimensional reconstruction

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Surgical treatment of renal cell carcinoma recurrence at the renal fossa following radical nephrectomy

CONTEXTO: A recorrência local única do carcinoma renal de células claras em seu leito renal após nefrectomia radical é um evento raro. Estima-se que essa situação ocorra em 0,8% a 3,6% do total de procedimentos. Comumente, seu diagnóstico é realizado através de tomografia computadorizada de abdômen ou ultra-som renal usados no acompanhamento desses pacientes. É polêmico qual o melhor tratamento dessa rara condição entre urologistas e oncologistas devido aos poucos relatos em literatura. RELATO DE CASO: Relatamos um caso de recidiva neoplásica única no leito renal após quatro anos e meio da nefrectomia radical por adenocarcinoma de células claras, sem evidência de metástases a distância em outros órgãos. O diagnóstico foi realizado por meio de tomografia abdominal em acompanhamento ambulatorial, observando-se massa retroperitoneal em topografia renal. A massa foi retirada por meio de uma incisão subcostal ampliada, em cirurgia sem intercorrências. O paciente evoluiu bem no pós-operatório. Após um ano e meio do procedimento, foi evidenciada uma metástase no pulmão esquerdo, e seis meses após, outra recorrência metastática na nona costela anterior à direita, mesmo com paciente totalmente assintomático. O tratamento cirúrgico agressivo em recorrência local única é um bom método para controlar essa rara doença. Tomografia computadorizada de abdômen deve ser feita em acompanhamento de carcinoma renal por longos períodos após a nefrectomia radical para o diagnóstico de recorrências tardias e o tratamento deve ser feito como o de uma metástase recorrente única.