Comparison of Roadway Roughness Derived from LIDAR and SFM 3D Point Clouds, HR-3001, 2015

This report describes a short-term study undertaken to investigate the potential for using dense three-dimensional (3D) point clouds generated from light detection and ranging (LIDAR) and photogrammetry to assess roadway roughness. Spatially continuous roughness maps have potential for the identification of localized roughness features, which would be a significant improvement over traditional profiling methods. This report specifically illustrates the use of terrestrial laser scanning (TLS) and photogrammetry using a process known as structure from motion (SFM) to acquire point clouds and illustrates the use of these point clouds in evaluating road roughness. Five roadway sections were chosen for scanning and testing: three gravel road sections, one portland cement concrete (PCC) section, and one asphalt concrete (AC) section. To compare clouds obtained from terrestrial laser scanning and photogrammetry, the coordinates of the clouds for the same section on the same date were matched using open source computer code. The research indicates that the technologies described are very promising for evaluating road roughness. The major advantage of both technologies is the large amount of data collected, which allows the evaluation of the full surface. Additional research is needed to further develop the use of dense 3D point clouds for roadway assessment.

Computer Aided Detection and measurement of peripheral artery disease.

Computer-Aided Tomography Angiography (CTA) images are the standard for assessing Peripheral artery disease (PAD). This paper presents a Computer Aided Detection (CAD) and Computer Aided Measurement (CAM) system for PAD. The CAD stage detects the arterial network using a 3D region growing method and a fast 3D morphology operation. The CAM stage aims to accurately measure the artery diameters from the detected vessel centerline, compensating for the partial volume effect using Expectation Maximization (EM) and a Markov Random field (MRF). The system has been evaluated on phantom data and also applied to fifteen (15) CTA datasets, where the detection accuracy of stenosis was 88% and the measurement accuracy was with an 8% error.

Free-breathing whole-heart coronary MRA with 3D radial SSFP and self-navigated image reconstruction.

Respiratory motion is a major source of artifacts in cardiac magnetic resonance imaging (MRI). Free-breathing techniques with pencil-beam navigators efficiently suppress respiratory motion and minimize the need for patient cooperation. However, the correlation between the measured navigator position and the actual position of the heart may be adversely affected by hysteretic effects, navigator position, and temporal delays between the navigators and the image acquisition. In addition, irregular breathing patterns during navigator-gated scanning may result in low scan efficiency and prolonged scan time. The purpose of this study was to develop and implement a self-navigated, free-breathing, whole-heart 3D coronary MRI technique that would overcome these shortcomings and improve the ease-of-use of coronary MRI. A signal synchronous with respiration was extracted directly from the echoes acquired for imaging, and the motion information was used for retrospective, rigid-body, through-plane motion correction. The images obtained from the self-navigated reconstruction were compared with the results from conventional, prospective, pencil-beam navigator tracking. Image quality was improved in phantom studies using self-navigation, while equivalent results were obtained with both techniques in preliminary in vivo studies.

Performance analysis of software run-time behaviour using 3D-visualisation

Monimutkaisen tietokonejärjestelmän suorituskykyoptimointi edellyttää järjestelmän ajonaikaisen käyttäytymisen ymmärtämistä. Ohjelmiston koon ja monimutkaisuuden kasvun myötä suorituskykyoptimointi tulee yhä tärkeämmäksi osaksi tuotekehitysprosessia. Tehokkaampien prosessorien käytön myötä myös energiankulutus ja lämmöntuotto ovat nousseet yhä suuremmiksi ongelmiksi, erityisesti pienissä, kannettavissa laitteissa. Lämpö- ja energiaongelmien rajoittamiseksi on kehitetty suorituskyvyn skaalausmenetelmiä, jotka edelleen lisäävät järjestelmän kompleksisuutta ja suorituskykyoptimoinnin tarvetta. Tässä työssä kehitettiin visualisointi- ja analysointityökalu ajonaikaisen käyttäytymisen ymmärtämisen helpottamiseksi. Lisäksi kehitettiin suorituskyvyn mitta, joka mahdollistaa erilaisten skaalausmenetelmien vertailun ja arvioimisen suoritusympäristöstä riippumatta, perustuen joko suoritustallenteen tai teoreettiseen analyysiin. Työkalu esittää ajonaikaisesti kerätyn tallenteen helposti ymmärrettävällä tavalla. Se näyttää mm. prosessit, prosessorikuorman, skaalausmenetelmien toiminnan sekä energiankulutuksen kolmiulotteista grafiikkaa käyttäen. Työkalu tuottaa myös käyttäjän valitsemasta osasta suorituskuvaa numeerista tietoa, joka sisältää useita oleellisia suorituskykyarvoja ja tilastotietoa. Työkalun sovellettavuutta tarkasteltiin todellisesta laitteesta saatua suoritustallennetta sekä suorituskyvyn skaalauksen simulointia analysoimalla. Skaalausmekanismin parametrien vaikutus simuloidun laitteen suorituskykyyn analysoitiin.

"Soap-Bubble" visualization and quantitative analysis of 3D coronary magnetic resonance angiograms.

In order to compare coronary magnetic resonance angiography (MRA) data obtained with different scanning methodologies, adequate visualization and presentation of the coronary MRA data need to be ensured. Furthermore, an objective quantitative comparison between images acquired with different scanning methods is desirable. To address this need, a software tool ("Soap-Bubble") that facilitates visualization and quantitative comparison of 3D volume targeted coronary MRA data was developed. In the present implementation, the user interactively specifies a curved subvolume (enclosed in the 3D coronary MRA data set) that closely encompasses the coronary arterial segments. With a 3D Delaunay triangulation and a parallel projection, this enables the simultaneous display of multiple coronary segments in one 2D representation. For objective quantitative analysis, frequently explored quantitative parameters such as signal-to-noise ratio (SNR); contrast-to-noise ratio (CNR); and vessel length, sharpness, and diameter can be assessed. The present tool supports visualization and objective, quantitative comparisons of coronary MRA data obtained with different scanning methods. The first results obtained in healthy adults and in patients with coronary artery disease are presented.

Development of a 3D very high-resolution seismic reflection system for lacustrine settings - a case study over a thrust fault zone in Lake Geneva

Un système efficace de sismique tridimensionnelle (3-D) haute-résolution adapté à des cibles lacustres de petite échelle a été développé. Dans le Lac Léman, près de la ville de Lausanne, en Suisse, des investigations récentes en deux dimension (2-D) ont mis en évidence une zone de faille complexe qui a été choisie pour tester notre système. Les structures observées incluent une couche mince (<40 m) de sédiments quaternaires sub-horizontaux, discordants sur des couches tertiaires de molasse pentées vers le sud-est. On observe aussi la zone de faille de « La Paudèze » qui sépare les unités de la Molasse du Plateau de la Molasse Subalpine. Deux campagnes 3-D complètes, d?environ d?un kilomètre carré, ont été réalisées sur ce site de test. La campagne pilote (campagne I), effectuée en 1999 pendant 8 jours, a couvert 80 profils en utilisant une seule flûte. Pendant la campagne II (9 jours en 2001), le nouveau système trois-flûtes, bien paramétrés pour notre objectif, a permis l?acquisition de données de très haute qualité sur 180 lignes CMP. Les améliorations principales incluent un système de navigation et de déclenchement de tirs grâce à un nouveau logiciel. Celui-ci comprend un contrôle qualité de la navigation du bateau en temps réel utilisant un GPS différentiel (dGPS) à bord et une station de référence près du bord du lac. De cette façon, les tirs peuvent être déclenchés tous les 5 mètres avec une erreur maximale non-cumulative de 25 centimètres. Tandis que pour la campagne I la position des récepteurs de la flûte 48-traces a dû être déduite à partir des positions du bateau, pour la campagne II elle ont pu être calculées précisément (erreur <20 cm) grâce aux trois antennes dGPS supplémentaires placées sur des flotteurs attachés à l?extrémité de chaque flûte 24-traces. Il est maintenant possible de déterminer la dérive éventuelle de l?extrémité des flûtes (75 m) causée par des courants latéraux ou de petites variations de trajet du bateau. De plus, la construction de deux bras télescopiques maintenant les trois flûtes à une distance de 7.5 m les uns des autres, qui est la même distance que celle entre les lignes naviguées de la campagne II. En combinaison avec un espacement de récepteurs de 2.5 m, la dimension de chaque «bin» de données 3-D de la campagne II est de 1.25 m en ligne et 3.75 m latéralement. L?espacement plus grand en direction « in-line » par rapport à la direction «cross-line» est justifié par l?orientation structurale de la zone de faille perpendiculaire à la direction «in-line». L?incertitude sur la navigation et le positionnement pendant la campagne I et le «binning» imprécis qui en résulte, se retrouve dans les données sous forme d?une certaine discontinuité des réflecteurs. L?utilisation d?un canon à air à doublechambre (qui permet d?atténuer l?effet bulle) a pu réduire l?aliasing observé dans les sections migrées en 3-D. Celui-ci était dû à la combinaison du contenu relativement haute fréquence (<2000 Hz) du canon à eau (utilisé à 140 bars et à 0.3 m de profondeur) et d?un pas d?échantillonnage latéral insuffisant. Le Mini G.I 15/15 a été utilisé à 80 bars et à 1 m de profondeur, est mieux adapté à la complexité de la cible, une zone faillée ayant des réflecteurs pentés jusqu?à 30°. Bien que ses fréquences ne dépassent pas les 650 Hz, cette source combine une pénétration du signal non-aliasé jusqu?à 300 m dans le sol (par rapport au 145 m pour le canon à eau) pour une résolution verticale maximale de 1.1 m. Tandis que la campagne I a été acquise par groupes de plusieurs lignes de directions alternées, l?optimisation du temps d?acquisition du nouveau système à trois flûtes permet l?acquisition en géométrie parallèle, ce qui est préférable lorsqu?on utilise une configuration asymétrique (une source et un dispositif de récepteurs). Si on ne procède pas ainsi, les stacks sont différents selon la direction. Toutefois, la configuration de flûtes, plus courtes que pour la compagne I, a réduit la couverture nominale, la ramenant de 12 à 6. Une séquence classique de traitement 3-D a été adaptée à l?échantillonnage à haute fréquence et elle a été complétée par deux programmes qui transforment le format non-conventionnel de nos données de navigation en un format standard de l?industrie. Dans l?ordre, le traitement comprend l?incorporation de la géométrie, suivi de l?édition des traces, de l?harmonisation des «bins» (pour compenser l?inhomogénéité de la couverture due à la dérive du bateau et de la flûte), de la correction de la divergence sphérique, du filtrage passe-bande, de l?analyse de vitesse, de la correction DMO en 3-D, du stack et enfin de la migration 3-D en temps. D?analyses de vitesse détaillées ont été effectuées sur les données de couverture 12, une ligne sur deux et tous les 50 CMP, soit un nombre total de 600 spectres de semblance. Selon cette analyse, les vitesses d?intervalles varient de 1450-1650 m/s dans les sédiments non-consolidés et de 1650-3000 m/s dans les sédiments consolidés. Le fait que l?on puisse interpréter plusieurs horizons et surfaces de faille dans le cube, montre le potentiel de cette technique pour une interprétation tectonique et géologique à petite échelle en trois dimensions. On distingue cinq faciès sismiques principaux et leurs géométries 3-D détaillées sur des sections verticales et horizontales: les sédiments lacustres (Holocène), les sédiments glacio-lacustres (Pléistocène), la Molasse du Plateau, la Molasse Subalpine de la zone de faille (chevauchement) et la Molasse Subalpine au sud de cette zone. Les couches de la Molasse du Plateau et de la Molasse Subalpine ont respectivement un pendage de ~8° et ~20°. La zone de faille comprend de nombreuses structures très déformées de pendage d?environ 30°. Des tests préliminaires avec un algorithme de migration 3-D en profondeur avant sommation et à amplitudes préservées démontrent que la qualité excellente des données de la campagne II permet l?application de telles techniques à des campagnes haute-résolution. La méthode de sismique marine 3-D était utilisée jusqu?à présent quasi-exclusivement par l?industrie pétrolière. Son adaptation à une échelle plus petite géographiquement mais aussi financièrement a ouvert la voie d?appliquer cette technique à des objectifs d?environnement et du génie civil.<br/><br/>An efficient high-resolution three-dimensional (3-D) seismic reflection system for small-scale targets in lacustrine settings was developed. In Lake Geneva, near the city of Lausanne, Switzerland, past high-resolution two-dimensional (2-D) investigations revealed a complex fault zone (the Paudèze thrust zone), which was subsequently chosen for testing our system. Observed structures include a thin (<40 m) layer of subhorizontal Quaternary sediments that unconformably overlie southeast-dipping Tertiary Molasse beds and the Paudèze thrust zone, which separates Plateau and Subalpine Molasse units. Two complete 3-D surveys have been conducted over this same test site, covering an area of about 1 km2. In 1999, a pilot survey (Survey I), comprising 80 profiles, was carried out in 8 days with a single-streamer configuration. In 2001, a second survey (Survey II) used a newly developed three-streamer system with optimized design parameters, which provided an exceptionally high-quality data set of 180 common midpoint (CMP) lines in 9 days. The main improvements include a navigation and shot-triggering system with in-house navigation software that automatically fires the gun in combination with real-time control on navigation quality using differential GPS (dGPS) onboard and a reference base near the lake shore. Shots were triggered at 5-m intervals with a maximum non-cumulative error of 25 cm. Whereas the single 48-channel streamer system of Survey I requires extrapolation of receiver positions from the boat position, for Survey II they could be accurately calculated (error <20 cm) with the aid of three additional dGPS antennas mounted on rafts attached to the end of each of the 24- channel streamers. Towed at a distance of 75 m behind the vessel, they allow the determination of feathering due to cross-line currents or small course variations. Furthermore, two retractable booms hold the three streamers at a distance of 7.5 m from each other, which is the same distance as the sail line interval for Survey I. With a receiver spacing of 2.5 m, the bin dimension of the 3-D data of Survey II is 1.25 m in in-line direction and 3.75 m in cross-line direction. The greater cross-line versus in-line spacing is justified by the known structural trend of the fault zone perpendicular to the in-line direction. The data from Survey I showed some reflection discontinuity as a result of insufficiently accurate navigation and positioning and subsequent binning errors. Observed aliasing in the 3-D migration was due to insufficient lateral sampling combined with the relatively high frequency (<2000 Hz) content of the water gun source (operated at 140 bars and 0.3 m depth). These results motivated the use of a double-chamber bubble-canceling air gun for Survey II. A 15 / 15 Mini G.I air gun operated at 80 bars and 1 m depth, proved to be better adapted for imaging the complexly faulted target area, which has reflectors dipping up to 30°. Although its frequencies do not exceed 650 Hz, this air gun combines a penetration of non-aliased signal to depths of 300 m below the water bottom (versus 145 m for the water gun) with a maximum vertical resolution of 1.1 m. While Survey I was shot in patches of alternating directions, the optimized surveying time of the new threestreamer system allowed acquisition in parallel geometry, which is preferable when using an asymmetric configuration (single source and receiver array). Otherwise, resulting stacks are different for the opposite directions. However, the shorter streamer configuration of Survey II reduced the nominal fold from 12 to 6. A 3-D conventional processing flow was adapted to the high sampling rates and was complemented by two computer programs that format the unconventional navigation data to industry standards. Processing included trace editing, geometry assignment, bin harmonization (to compensate for uneven fold due to boat/streamer drift), spherical divergence correction, bandpass filtering, velocity analysis, 3-D DMO correction, stack and 3-D time migration. A detailed semblance velocity analysis was performed on the 12-fold data set for every second in-line and every 50th CMP, i.e. on a total of 600 spectra. According to this velocity analysis, interval velocities range from 1450-1650 m/s for the unconsolidated sediments and from 1650-3000 m/s for the consolidated sediments. Delineation of several horizons and fault surfaces reveal the potential for small-scale geologic and tectonic interpretation in three dimensions. Five major seismic facies and their detailed 3-D geometries can be distinguished in vertical and horizontal sections: lacustrine sediments (Holocene) , glaciolacustrine sediments (Pleistocene), Plateau Molasse, Subalpine Molasse and its thrust fault zone. Dips of beds within Plateau and Subalpine Molasse are ~8° and ~20°, respectively. Within the fault zone, many highly deformed structures with dips around 30° are visible. Preliminary tests with 3-D preserved-amplitude prestack depth migration demonstrate that the excellent data quality of Survey II allows application of such sophisticated techniques even to high-resolution seismic surveys. In general, the adaptation of the 3-D marine seismic reflection method, which to date has almost exclusively been used by the oil exploration industry, to a smaller geographical as well as financial scale has helped pave the way for applying this technique to environmental and engineering purposes.<br/><br/>La sismique réflexion est une méthode d?investigation du sous-sol avec un très grand pouvoir de résolution. Elle consiste à envoyer des vibrations dans le sol et à recueillir les ondes qui se réfléchissent sur les discontinuités géologiques à différentes profondeurs et remontent ensuite à la surface où elles sont enregistrées. Les signaux ainsi recueillis donnent non seulement des informations sur la nature des couches en présence et leur géométrie, mais ils permettent aussi de faire une interprétation géologique du sous-sol. Par exemple, dans le cas de roches sédimentaires, les profils de sismique réflexion permettent de déterminer leur mode de dépôt, leurs éventuelles déformations ou cassures et donc leur histoire tectonique. La sismique réflexion est la méthode principale de l?exploration pétrolière. Pendant longtemps on a réalisé des profils de sismique réflexion le long de profils qui fournissent une image du sous-sol en deux dimensions. Les images ainsi obtenues ne sont que partiellement exactes, puisqu?elles ne tiennent pas compte de l?aspect tridimensionnel des structures géologiques. Depuis quelques dizaines d?années, la sismique en trois dimensions (3-D) a apporté un souffle nouveau à l?étude du sous-sol. Si elle est aujourd?hui parfaitement maîtrisée pour l?imagerie des grandes structures géologiques tant dans le domaine terrestre que le domaine océanique, son adaptation à l?échelle lacustre ou fluviale n?a encore fait l?objet que de rares études. Ce travail de thèse a consisté à développer un système d?acquisition sismique similaire à celui utilisé pour la prospection pétrolière en mer, mais adapté aux lacs. Il est donc de dimension moindre, de mise en oeuvre plus légère et surtout d?une résolution des images finales beaucoup plus élevée. Alors que l?industrie pétrolière se limite souvent à une résolution de l?ordre de la dizaine de mètres, l?instrument qui a été mis au point dans le cadre de ce travail permet de voir des détails de l?ordre du mètre. Le nouveau système repose sur la possibilité d?enregistrer simultanément les réflexions sismiques sur trois câbles sismiques (ou flûtes) de 24 traces chacun. Pour obtenir des données 3-D, il est essentiel de positionner les instruments sur l?eau (source et récepteurs des ondes sismiques) avec une grande précision. Un logiciel a été spécialement développé pour le contrôle de la navigation et le déclenchement des tirs de la source sismique en utilisant des récepteurs GPS différentiel (dGPS) sur le bateau et à l?extrémité de chaque flûte. Ceci permet de positionner les instruments avec une précision de l?ordre de 20 cm. Pour tester notre système, nous avons choisi une zone sur le Lac Léman, près de la ville de Lausanne, où passe la faille de « La Paudèze » qui sépare les unités de la Molasse du Plateau et de la Molasse Subalpine. Deux campagnes de mesures de sismique 3-D y ont été réalisées sur une zone d?environ 1 km2. Les enregistrements sismiques ont ensuite été traités pour les transformer en images interprétables. Nous avons appliqué une séquence de traitement 3-D spécialement adaptée à nos données, notamment en ce qui concerne le positionnement. Après traitement, les données font apparaître différents faciès sismiques principaux correspondant notamment aux sédiments lacustres (Holocène), aux sédiments glacio-lacustres (Pléistocène), à la Molasse du Plateau, à la Molasse Subalpine de la zone de faille et la Molasse Subalpine au sud de cette zone. La géométrie 3-D détaillée des failles est visible sur les sections sismiques verticales et horizontales. L?excellente qualité des données et l?interprétation de plusieurs horizons et surfaces de faille montrent le potentiel de cette technique pour les investigations à petite échelle en trois dimensions ce qui ouvre des voies à son application dans les domaines de l?environnement et du génie civil.

Integration of a 3D rendering engine with a physics simulator

The goal of this project is the integration of a set of technologies (graphics, physical simulation, input), with the azm of assembling an application framework in phyton. In this research, a set of key introductory concepts are presented in adoption of a deep study of the state of the art of 3D applications. Phyton is selected an justified as the programing language due to the features and advantages that it offers in front of other languages. Finally the design and implementation of the framework is presented in the last chapter with some client application examples.

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.

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.

Single centre experience of the application of self navigated 3D whole heart cardiovascular magnetic resonance for the assessment of cardiac anatomy in congenital heart disease.

BACKGROUND: For free-breathing cardiovascular magnetic resonance (CMR), the self-navigation technique recently emerged, which is expected to deliver high-quality data with a high success rate. The purpose of this study was to test the hypothesis that self-navigated 3D-CMR enables the reliable assessment of cardiovascular anatomy in patients with congenital heart disease (CHD) and to define factors that affect image quality. METHODS: CHD patients ≥2 years-old and referred for CMR for initial assessment or for a follow-up study were included to undergo a free-breathing self-navigated 3D CMR at 1.5T. Performance criteria were: correct description of cardiac segmental anatomy, overall image quality, coronary artery visibility, and reproducibility of great vessels diameter measurements. Factors associated with insufficient image quality were identified using multivariate logistic regression. RESULTS: Self-navigated CMR was performed in 105 patients (55% male, 23 ± 12y). Correct segmental description was achieved in 93% and 96% for observer 1 and 2, respectively. Diagnostic quality was obtained in 90% of examinations, and it increased to 94% if contrast-enhanced. Left anterior descending, circumflex, and right coronary arteries were visualized in 93%, 87% and 98%, respectively. Younger age, higher heart rate, lower ejection fraction, and lack of contrast medium were independently associated with reduced image quality. However, a similar rate of diagnostic image quality was obtained in children and adults. CONCLUSION: In patients with CHD, self-navigated free-breathing CMR provides high-resolution 3D visualization of the heart and great vessels with excellent robustness.

Näkökulmia 3D-tulostuksen opetukseen ja koulutukseen

Additive manufacturing, or 3D printing, is globally one of most interesting area in developing of manufacturing technologies. This technology is suitable for fabrication off industrial products and it interests actors in fields of computer sciences, economics, medical sciences and design&arts. Additive manufacturing is often referred as third industrial revolution: first revolution was invention of steam engines in 18th century and second was industrial revolution started by Henry Ford in 1920s. Companies should be able to test suitability of their products for additive manufacturing and 3D printing but also how much better products could be when products are totally re-designed so that all potential of this new technology can be utilized. This is where education has its importance; new generations who enter working life should be educated to know of additive manufacturing and 3D printing, its advantages but also of it limits. There has to be also possibility to educate industry and people already working there, so that industrial implementation could be done successfully. This is especially very valid for Finland. Education is strongly needed so that Finnish industry can maintain its competence in global markets. Role of education is extremely important when a new technology is industrially implemented. Additive manufacturing and 3D printing offers freedom to design new products, production and generally ways of doing things. Development, planning and execution of education for additive manufacturing and 3D printing is challenging as this area develops very fast. New innovations are coming almost every month. Planning of education for additive manufacturing and 3D printing requires collection pieces of data from various of sources. Additive manufacturing and 3D printing industry and its development has to be followed frequently, and material for additive manufacturing and 3D printing has to be renewed frequently.

Peinture de lumière incidente dans des scènes 3D

Le design d'éclairage est une tâche qui est normalement faite manuellement, où les artistes doivent manipuler les paramètres de plusieurs sources de lumière pour obtenir le résultat désiré. Cette tâche est difficile, car elle n'est pas intuitive. Il existe déjà plusieurs systèmes permettant de dessiner directement sur les objets afin de positionner ou modifier des sources de lumière. Malheureusement, ces systèmes ont plusieurs limitations telles qu'ils ne considèrent que l'illumination locale, la caméra est fixe, etc. Dans ces deux cas, ceci représente une limitation par rapport à l'exactitude ou la versatilité de ces systèmes. L'illumination globale est importante, car elle ajoute énormément au réalisme d'une scène en capturant toutes les interréflexions de la lumière sur les surfaces. Ceci implique que les sources de lumière peuvent avoir de l'influence sur des surfaces qui ne sont pas directement exposées. Dans ce mémoire, on se consacre à un sous-problème du design de l'éclairage: la sélection et la manipulation de l'intensité de sources de lumière. Nous présentons deux systèmes permettant de peindre sur des objets dans une scène 3D des intentions de lumière incidente afin de modifier l'illumination de la surface. De ces coups de pinceau, le système trouve automatiquement les sources de lumière qui devront être modifiées et change leur intensité pour effectuer les changements désirés. La nouveauté repose sur la gestion de l'illumination globale, des surfaces transparentes et des milieux participatifs et sur le fait que la caméra n'est pas fixe. On présente également différentes stratégies de sélection de modifications des sources de lumière. Le premier système utilise une carte d'environnement comme représentation intermédiaire de l'environnement autour des objets. Le deuxième système sauvegarde l'information de l'environnement pour chaque sommet de chaque objet.

Construction d'un Atlas 3D numérique de la cornée humaine par recalage d'images

Nous proposons de construire un atlas numérique 3D contenant les caractéristiques moyennes et les variabilités de la morphologie d’un organe. Nos travaux seront appliqués particulièrement à la construction d'un atlas numérique 3D de la totalité de la cornée humaine incluant la surface antérieure et postérieure à partir des cartes topographiques fournies par le topographe Orbscan II. Nous procédons tout d'abord par normalisation de toute une population de cornées. Dans cette étape, nous nous sommes basés sur l'algorithme de recalage ICP (iterative closest point) pour aligner simultanément les surfaces antérieures et postérieures d'une population de cornée vers les surfaces antérieure et postérieure d'une cornée de référence. En effet, nous avons élaboré une variante de l'algorithme ICP adapté aux images (cartes) de cornées qui tient compte de changement d'échelle pendant le recalage et qui se base sur la recherche par voisinage via la distance euclidienne pour établir la correspondance entre les points. Après, nous avons procédé pour la construction de l'atlas cornéen par le calcul des moyennes des élévations de surfaces antérieures et postérieures recalées et leurs écarts-types associés. Une population de 100 cornées saines a été utilisée pour construire l'atlas cornéen normal. Pour visualiser l’atlas, on a eu recours à des cartes topographiques couleurs similairement à ce qu’offrent déjà les systèmes topographiques actuels. Enfin, des observations ont été réalisées sur l'atlas cornéen reflétant sa précision et permettant de développer une meilleure connaissance de l’anatomie cornéenne.

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.

Multi-view 3D reconstruction using virtual cameras

Ce mémoire s'intéresse à la reconstruction d'un modèle 3D à partir de plusieurs images. Le modèle 3D est élaboré avec une représentation hiérarchique de voxels sous la forme d'un octree. Un cube englobant le modèle 3D est calculé à partir de la position des caméras. Ce cube contient les voxels et il définit la position de caméras virtuelles. Le modèle 3D est initialisé par une enveloppe convexe basée sur la couleur uniforme du fond des images. Cette enveloppe permet de creuser la périphérie du modèle 3D. Ensuite un coût pondéré est calculé pour évaluer la qualité de chaque voxel à faire partie de la surface de l'objet. Ce coût tient compte de la similarité des pixels provenant de chaque image associée à la caméra virtuelle. Finalement et pour chacune des caméras virtuelles, une surface est calculée basée sur le coût en utilisant la méthode de SGM. La méthode SGM tient compte du voisinage lors du calcul de profondeur et ce mémoire présente une variation de la méthode pour tenir compte des voxels précédemment exclus du modèle par l'étape d'initialisation ou de creusage par une autre surface. Par la suite, les surfaces calculées sont utilisées pour creuser et finaliser le modèle 3D. Ce mémoire présente une combinaison innovante d'étapes permettant de créer un modèle 3D basé sur un ensemble d'images existant ou encore sur une suite d'images capturées en série pouvant mener à la création d'un modèle 3D en temps réel.