Systematic investigation of automated plan generation for breast cancer including beam angle and isocenter selection

Il tumore al seno è il più comune tra le donne nel mondo. La radioterapia è comunemente usata dopo la chirurgia per distruggere eventuali cellule maligne rimaste nel volume del seno. Nei trattamenti di radioterapia bisogna cercare di irradiare il volume da curare limitando contemporaneamente la tossicità nei tessuti sani. In clinica i parametri che definiscono il piano di trattamento radioterapeutico sono selezionati manualmente utilizzando un software di simulazione per trattamenti. Questo processo, detto di trial and error, in cui i differenti parametri vengono modificati e il trattamento viene simulato nuovamente e valutato, può richiedere molte iterazioni rendendolo dispendioso in termini di tempo. Lo studio presentato in questa tesi si concentra sulla generazione automatica di piani di trattamento per irradiare l'intero volume del seno utilizzando due fasci approssimativamente opposti e tangenti al paziente. In particolare ci siamo concentrati sulla selezione delle direzioni dei fasci e la posizione dell'isocentro. A questo scopo, è stato investigata l'efficacia di un approccio combinatorio, nel quale sono stati generati un elevato numero di possibili piani di trattamento utilizzando differenti combinazioni delle direzioni dei due fasci. L'intensità del profilo dei fasci viene ottimizzata automaticamente da un algoritmo, chiamato iCycle, sviluppato nel ospedale Erasmus MC di Rotterdam. Inizialmente tra tutti i possibili piani di trattamento generati solo un sottogruppo viene selezionato, avente buone caratteristiche per quel che riguarda l'irraggiamento del volume del seno malato. Dopo di che i piani che mostrano caratteristiche ottimali per la salvaguardia degli organi a rischio (cuore, polmoni e seno controlaterale) vengono considerati. Questi piani di trattamento sono matematicamente equivalenti quindi per selezionare tra questi il piano migliore è stata utilizzata una somma pesata dove i pesi sono stati regolati per ottenere in media piani che abbiano caratteristiche simili ai piani di trattamento approvati in clinica. Questo metodo in confronto al processo manuale oltre a ridurre considerevol-mente il tempo di generazione di un piano di trattamento garantisce anche i piani selezionati abbiano caratteristiche ottimali nel preservare gli organi a rischio. Inizialmente è stato utilizzato l'isocentro scelto in clinica dal tecnico. Nella parte finale dello studio l'importanza dell'isocentro è stata valutata; ne è risultato che almeno per un sottogruppo di pazienti la posizione dell'isocentro può dare un importante contributo alla qualità del piano di trattamento e quindi potrebbe essere un ulteriore parametro da ottimizzare. 

Automated Analysis Methods for the Assessment of Bicycle Infrastructure and Demand

A first phase of the research activity has been related to the study of the state of art of the infrastructures for cycling, bicycle use and methods for evaluation. In this part, the candidate has studied the "bicycle system" in countries with high bicycle use and in particular in the Netherlands. Has been carried out an evaluation of the questionnaires of the survey conducted within the European project BICY on mobility in general in 13 cities of the participating countries. The questionnaire was designed, tested and implemented, and was later validated by a test in Bologna. The results were corrected with information on demographic situation and compared with official data. The cycling infrastructure analysis was conducted on the basis of information from the OpenStreetMap database. The activity consisted in programming algorithms in Python that allow to extract data from the database infrastructure for a region, to sort and filter cycling infrastructure calculating some attributes, such as the length of the arcs paths. The results obtained were compared with official data where available. The structure of the thesis is as follows: 1. Introduction: description of the state of cycling in several advanced countries, description of methods of analysis and their importance to implement appropriate policies for cycling. Supply and demand of bicycle infrastructures. 2. Survey on mobility: it gives details of the investigation developed and the method of evaluation. The results obtained are presented and compared with official data. 3. Analysis cycling infrastructure based on information from the database of OpenStreetMap: describes the methods and algorithms developed during the PhD. The results obtained by the algorithms are compared with official data. 4. Discussion: The above results are discussed and compared. In particular the cycle demand is compared with the length of cycle networks within a city. 5. Conclusions

Discrete Event Systems based Design Patterns for Diagnosability Analysis of Automated Manufacturing Systems

The main goal of this thesis is to facilitate the process of industrial automated systems development applying formal methods to ensure the reliability of systems. A new formulation of distributed diagnosability problem in terms of Discrete Event Systems theory and automata framework is presented, which is then used to enforce the desired property of the system, rather then just verifying it. This approach tackles the state explosion problem with modeling patterns and new algorithms, aimed for verification of diagnosability property in the context of the distributed diagnosability problem. The concepts are validated with a newly developed software tool.

Plasmoscope: Automated spectroscopy of single nanoparticles

Plasmonen sind die kollektive resonante Anregung von Leitungselektronen. Vom Licht angeregternPlasmonen in subwellenlängen-grossen Nanopartikeln heissen Partikelplasmonen und sind vielversprechende Kandidaten für zukünftige Mikrosensoren wegen der starken Abhängigkeit der Resonanz an extern steuerbaren Parametern, wie die optischen Eigenschaften des umgebenden Mediums und die elektrische Ladung der Nanopartikel. Die extrem hohe Streue_zienz von Partikelplasmonen erlaubt eine einfache Beobachtung einzelner Nanopartikel in einem Mikroskop.rnDie Anforderung, schnell eine statistisch relevante Anzahl von Datenpunkten sammeln zu können,rnund die wachsende Bedeutung von plasmonischen (vor allem Gold-) Nanopartikeln für Anwendungenrnin der Medizin, hat nach der Entwicklung von automatisierten Mikroskopen gedrängt, die im bis dahin nur teilweise abgedeckten spektralen Fenster der biologischen Gewebe (biologisches Fenster) von 650 bis 900nm messen können. Ich stelle in dieser Arbeit das Plasmoscope vor, das genau unter Beobachtung der genannten Anforderungen entworfen wurde, in dem (1) ein einstellbarer Spalt in die Eingangsö_nung des Spektrometers, die mit der Bildebene des Mikroskops zusammenfällt, gesetzt wurde, und (2) einem Piezo Scantisch, der es ermöglicht, die Probe durch diesen schmalen Spalt abzurastern. Diese Verwirklichung vermeidet optische Elemente, die im nahen Infra-Rot absorbieren.rnMit dem Plasmoscope untersuche ich die plasmonische Sensitivität von Gold- und Silbernanostrnäbchen, d.h. die Plasmon-Resonanzverschiebung in Abhängigkeit mit der Änderung des umgebendenrnMediums. Die Sensitivität ist das Mass dafür, wie gut die Nanopartikeln Materialänderungenrnin ihrer Umgebung detektieren können, und damit ist es immens wichtig zu wissen, welche Parameterrndie Sensitivität beein_ussen. Ich zeige hier, dass Silbernanostäbchen eine höhere Sensitivität alsrnGoldnanostäbchen innerhalb des biologischen Fensters besitzen, und darüberhinaus, dass die Sensitivität mit der Dicke der Stäbchen wächst. Ich stelle eine theoretische Diskussion der Sensitivitätrnvor, indenti_ziere die Materialparameter, die die Sensitivität bein_ussen und leite die entsprechendenrnFormeln her. In einer weiteren Annäherung präsentiere ich experimentelle Daten, die die theoretische Erkenntnis unterstützen, dass für Sensitivitätsmessschemata, die auch die Linienbreite mitberücksichtigen, Goldnanostäbchen mit einem Aspektverhältnis von 3 bis 4 das optimalste Ergebnis liefern. Verlässliche Sensoren müssen eine robuste Wiederholbarkeit aufweisen, die ich mit Gold- und Silbernanostäbchen untersuche.rnDie Plasmonen-resonanzwellenlänge hängt von folgenden intrinsischen Materialparametern ab:rnElektrondichte, Hintergrundpolarisierbarkeit und Relaxationszeit. Basierend auf meinen experimentellen Ergebnissen zeige ich, dass Nanostäbchen aus Kupfer-Gold-Legierung im Vergleich zu ähnlich geformten Goldnanostäbchen eine rotverschobene Resonanz haben, und in welcher Weiserndie Linienbreite mit der stochimetrischen Zusammensetzung der legierten Nanopartikeln variiert.rnDie Abhängigkeit der Linienbreite von der Materialzusammensetzung wird auch anhand von silberbeschichteten und unbeschichteten Goldnanostäbchen untersucht.rnHalbleiternanopartikeln sind Kandidaten für e_ziente photovoltaische Einrichtungen. Die Energieumwandlung erfordert eine Ladungstrennung, die mit dem Plasmoscope experimentell vermessen wird, in dem ich die lichtinduzierte Wachstumsdynamik von Goldsphären auf Halbleiternanost äbchen in einer Goldionenlösung durch die Messung der gestreuten Intensität verfolge.rn

Design, realization and characterization of automated millifluidic bioreactors for investigating the molecular evolution of lytic or lysogenic vector phages infecting engineered host e. Coli

In questa tesi viene presentato un bioreattore in grado di mantenere nel tempo condizioni biologiche tali che consentano di massimizzare i cicli di evoluzione molecolare di vettori di clonazione fagici: litico (T7) o lisogeno (M13). Verranno quindi introdtti concetti legati alla Teoria della Quasispecie e alla relazione tra errori di autoreplicazione e pressioni selettive naturali o artificiali su popolazioni di virus: il modello naturale del sistema evolutivo. Tuttavia, mantenere delle popolazioni di virus significa formire loro un substrato dove replicare. Per fare ciò, altri gruppi di ricerca hanno giá sviluppato complessi e costosi prototipi di macchinari per la crescita continua di popolazioni batteriche: i compartimenti dei sistemi evolutivi. Il bioreattore, oggetto di questo lavoro, fa parte del progetto europeo Evoprog: general purpose programmable machine evolution on a chip (Jaramillo’s Lab, University of Warwick) che, utilizzando tecnologie fagiche e regolazioni sintetiche esistenti, sará in grado di produrre funzionalità biocomputazionali di due ordini di grandezza più veloci rispetto alle tecniche convenzionali, riducendo allo stesso tempo i costi complessivi. Il primo prototipo consiste in uno o piú fermentatori, dove viene fatta crescere la cultura batterica in condizioni ottimizzate di coltivazione continua, e in un cellstat, un volume separato, dove avviene solo la replicazione dei virus. Entrambi i volumi sono di pochi millilitri e appropriatamente interconnessi per consentire una sorta di screening continuo delle biomolecole prodotte all’uscita. Nella parte finale verranno presentati i risultati degli esperimenti preliminari, a dimostrazione dell’affidabilità del prototipo costruito e dei protocolli seguiti per la sterilizzazione e l’assemblaggio del bioreattore. Gli esperimenti effettuati dimostrano il successo di due coltivazioni virali continue e una ricombinazione in vivo di batteriofagi litici o lisogeni ingegnerizzati. La tesi si conclude valutando i futuri sviluppi e i limiti del sistema, tenendo in considerazione, in particolare, alcune applicazioni rivolte agli studi di una terapia batteriofagica.

A method for automated generation of radiotherapy treatment plans for lung cancer

La radioterapia è una tecnica molto impiegata per la cura del cancro. Attualmente la somministrazione avviene principalmente attraverso la intensity modulated radiotherapy (IMRT, sovrapposizione di campi ad intensità modulata), un cui sviluppo recente è la volumetric modulated arc therapy (VMAT, irradiazione continua lungo un arco ininterrotto). La generazione di piani richiede esperienza ed abilità: un dosimetrista seleziona cost functions ed obiettivi ed un TPS ottimizza la disposizione dei segmenti ad intensità modulata. Se il medico giudica il risultato non soddisfacente, il processo riparte da capo (trial-and-error). Una alternativa è la generazione automatica di piani. Erasmus-iCycle, software prodotto presso ErasmusMC (Rotterdam, The Netherlands), è un algoritmo di ottimizzazione multicriteriale di piani radioterapici per ottimizzazione di intensità basato su una wish list. L'output consiste di piani Pareto-ottimali ad intensità modulata. La generazione automatica garantisce maggiore coerenza e qualità più elevata con tempi di lavoro ridotti. Nello studio, una procedura di generazione automatica di piani con modalità VMAT è stata sviluppata e valutata per carcinoma polmonare. Una wish list è stata generata attraverso una procedura iterativa su un gruppo ristretto di pazienti con la collaborazione di fisici medici ed oncologi e poi validata su un gruppo più ampio di pazienti. Nella grande maggioranza dei casi, i piani automatici sono stati giudicati dagli oncologi migliori rispetto ai rispettivi piani IMRT clinici generati manualmente. Solo in pochi casi una rapida calibrazione manuale specifica per il paziente si è resa necessaria per soddisfare tutti i requisiti clinici. Per un sottogruppo di pazienti si è mostrato che la qualità dei piani VMAT automatici era equivalente o superiore rispetto ai piani VMAT generati manualmente da un dosimetrista esperto. Complessivamente, si è dimostrata la possibilità di generare piani radioterapici VMAT ad alta qualità automaticamente, con interazione umana minima. L'introduzione clinica della procedura automatica presso ErasmusMC è iniziata (ottobre 2015).

Multimodal Registration Procedure for the Initial Spatial Alignment of a Retinal Video Sequence to a Retinal Composite Image

Accurate placement of lesions is crucial for the effectiveness and safety of a retinal laser photocoagulation treatment. Computer assistance provides the capability for improvements to treatment accuracy and execution time. The idea is to use video frames acquired from a scanning digital ophthalmoscope (SDO) to compensate for retinal motion during laser treatment. This paper presents a method for the multimodal registration of the initial frame from an SDO retinal video sequence to a retinal composite image, which may contain a treatment plan. The retinal registration procedure comprises the following steps: 1) detection of vessel centerline points and identification of the optic disc; 2) prealignment of the video frame and the composite image based on optic disc parameters; and 3) iterative matching of the detected vessel centerline points in expanding matching regions. This registration algorithm was designed for the initialization of a real-time registration procedure that registers the subsequent video frames to the composite image. The algorithm demonstrated its capability to register various pairs of SDO video frames and composite images acquired from patients.

A Hybrid Multimodal Non-Rigid Registration of MR Images Based on Diffeomorphic Demons

n this paper we present a novel hybrid approach for multimodal medical image registration based on diffeomorphic demons. Diffeomorphic demons have proven to be a robust and efficient way for intensity-based image registration. A very recent extension even allows to use mutual information (MI) as a similarity measure to registration multimodal images. However, due to the intensity correspondence uncertainty existing in some anatomical parts, it is difficult for a purely intensity-based algorithm to solve the registration problem. Therefore, we propose to combine the resulting transformations from both intensity-based and landmark-based methods for multimodal non-rigid registration based on diffeomorphic demons. Several experiments on different types of MR images were conducted, for which we show that a better anatomical correspondence between the images can be obtained using the hybrid approach than using either intensity information or landmarks alone.

Atlas-Based Segmentation of Brain Tumor Images Using a Markov Random Field-Based Tumor Growth Model and Non-Rigid Registration

We propose a new and clinically oriented approach to perform atlas-based segmentation of brain tumor images. A mesh-free method is used to model tumor-induced soft tissue deformations in a healthy brain atlas image with subsequent registration of the modified atlas to a pathologic patient image. The atlas is seeded with a tumor position prior and tumor growth simulating the tumor mass effect is performed with the aim of improving the registration accuracy in case of patients with space-occupying lesions. We perform tests on 2D axial slices of five different patient data sets and show that the approach gives good results for the segmentation of white matter, grey matter, cerebrospinal fluid and the tumor.

Multi-modal diffeomorphic demons registration based on point-wise mutual information

In this paper we propose a variational approach for multimodal image registration based on the diffeomorphic demons algorithm. Diffeomorphic demons has proven to be a robust and efficient way for intensity-based image registration. However, the main drawback is that it cannot deal with multiple modalities. We propose to replace the standard demons similarity metric (image intensity differences) by point-wise mutual information (PMI) in the energy function. By comparing the accuracy between our PMI based diffeomorphic demons and the B-Spline based free-form deformation approach (FFD) on simulated deformations, we show the proposed algorithm performs significantly better.

Postoperative evaluation of surgery for craniosynostosis based on image registration techniques

Craniosynostosis consists of a premature fusion of the sutures in an infant skull, which restricts the skull and brain growth. During the last decades there has been a rapid increase of fundamentally diverse surgical treatment methods. At present, the surgical outcome has been assessed using global variables such as cephalic index, head circumerence and intracranial volume. However, the variables have failed in describing the local deformations and morphological changes, which are proposed to more likely induce neurological disorders.

Information Filtering for Ultrasound-based Real-time Registration

This paper presents methods based on Information Filters for solving matching problems with emphasis on real-time, or effectively real-time applications. Both applications discussed in this work deal with ultrasound-based rigid registration in computer-assisted orthopedic surgery. In the first application, the usual workflow of rigid registration is reformulated such that registration algorithms would iterate while the surgeon is acquiring ultrasound images of the anatomy to be operated. Using this effectively real-time approach to registration, the surgeon would then receive feedback in order to better gauge the quality of the final registration outcome. The second application considered in this paper circumvents the need to attach physical markers to bones for anatomical referencing. Experiments using anatomical objects immersed in water are performed in order to evaluate and compare the different methods presented herein, using both 2D as well as real-time 3D ultrasound.