Pulmonary Artery-Vein Segmentation in Real and Synthetic CT Images = Segmentación Arteria-Vena Pulmonares en Imágenes de CT Reales y Sintéticas

La tomografía axial computerizada (TAC) es la modalidad de imagen médica preferente para el estudio de enfermedades pulmonares y el análisis de su vasculatura. La segmentación general de vasos en pulmón ha sido abordada en profundidad a lo largo de los últimos años por la comunidad científica que trabaja en el campo de procesamiento de imagen; sin embargo, la diferenciación entre irrigaciones arterial y venosa es aún un problema abierto. De hecho, la separación automática de arterias y venas está considerado como uno de los grandes retos futuros del procesamiento de imágenes biomédicas. La segmentación arteria-vena (AV) permitiría el estudio de ambas irrigaciones por separado, lo cual tendría importantes consecuencias en diferentes escenarios médicos y múltiples enfermedades pulmonares o estados patológicos. Características como la densidad, geometría, topología y tamaño de los vasos sanguíneos podrían ser analizados en enfermedades que conllevan remodelación de la vasculatura pulmonar, haciendo incluso posible el descubrimiento de nuevos biomarcadores específicos que aún hoy en dípermanecen ocultos. Esta diferenciación entre arterias y venas también podría ayudar a la mejora y el desarrollo de métodos de procesamiento de las distintas estructuras pulmonares. Sin embargo, el estudio del efecto de las enfermedades en los árboles arterial y venoso ha sido inviable hasta ahora a pesar de su indudable utilidad. La extrema complejidad de los árboles vasculares del pulmón hace inabordable una separación manual de ambas estructuras en un tiempo realista, fomentando aún más la necesidad de diseñar herramientas automáticas o semiautomáticas para tal objetivo. Pero la ausencia de casos correctamente segmentados y etiquetados conlleva múltiples limitaciones en el desarrollo de sistemas de separación AV, en los cuales son necesarias imágenes de referencia tanto para entrenar como para validar los algoritmos. Por ello, el diseño de imágenes sintéticas de TAC pulmonar podría superar estas dificultades ofreciendo la posibilidad de acceso a una base de datos de casos pseudoreales bajo un entorno restringido y controlado donde cada parte de la imagen (incluyendo arterias y venas) está unívocamente diferenciada. En esta Tesis Doctoral abordamos ambos problemas, los cuales están fuertemente interrelacionados. Primero se describe el diseño de una estrategia para generar, automáticamente, fantomas computacionales de TAC de pulmón en humanos. Partiendo de conocimientos a priori, tanto biológicos como de características de imagen de CT, acerca de la topología y relación entre las distintas estructuras pulmonares, el sistema desarrollado es capaz de generar vías aéreas, arterias y venas pulmonares sintéticas usando métodos de crecimiento iterativo, que posteriormente se unen para formar un pulmón simulado con características realistas. Estos casos sintéticos, junto a imágenes reales de TAC sin contraste, han sido usados en el desarrollo de un método completamente automático de segmentación/separación AV. La estrategia comprende una primera extracción genérica de vasos pulmonares usando partículas espacio-escala, y una posterior clasificación AV de tales partículas mediante el uso de Graph-Cuts (GC) basados en la similitud con arteria o vena (obtenida con algoritmos de aprendizaje automático) y la inclusión de información de conectividad entre partículas. La validación de los fantomas pulmonares se ha llevado a cabo mediante inspección visual y medidas cuantitativas relacionadas con las distribuciones de intensidad, dispersión de estructuras y relación entre arterias y vías aéreas, los cuales muestran una buena correspondencia entre los pulmones reales y los generados sintéticamente. La evaluación del algoritmo de segmentación AV está basada en distintas estrategias de comprobación de la exactitud en la clasificación de vasos, las cuales revelan una adecuada diferenciación entre arterias y venas tanto en los casos reales como en los sintéticos, abriendo así un amplio abanico de posibilidades en el estudio clínico de enfermedades cardiopulmonares y en el desarrollo de metodologías y nuevos algoritmos para el análisis de imágenes pulmonares. ABSTRACT Computed tomography (CT) is the reference image modality for the study of lung diseases and pulmonary vasculature. Lung vessel segmentation has been widely explored by the biomedical image processing community, however, differentiation of arterial from venous irrigations is still an open problem. Indeed, automatic separation of arterial and venous trees has been considered during last years as one of the main future challenges in the field. Artery-Vein (AV) segmentation would be useful in different medical scenarios and multiple pulmonary diseases or pathological states, allowing the study of arterial and venous irrigations separately. Features such as density, geometry, topology and size of vessels could be analyzed in diseases that imply vasculature remodeling, making even possible the discovery of new specific biomarkers that remain hidden nowadays. Differentiation between arteries and veins could also enhance or improve methods processing pulmonary structures. Nevertheless, AV segmentation has been unfeasible until now in clinical routine despite its objective usefulness. The huge complexity of pulmonary vascular trees makes a manual segmentation of both structures unfeasible in realistic time, encouraging the design of automatic or semiautomatic tools to perform the task. However, this lack of proper labeled cases seriously limits in the development of AV segmentation systems, where reference standards are necessary in both algorithm training and validation stages. For that reason, the design of synthetic CT images of the lung could overcome these difficulties by providing a database of pseudorealistic cases in a constrained and controlled scenario where each part of the image (including arteries and veins) is differentiated unequivocally. In this Ph.D. Thesis we address both interrelated problems. First, the design of a complete framework to automatically generate computational CT phantoms of the human lung is described. Starting from biological and imagebased knowledge about the topology and relationships between structures, the system is able to generate synthetic pulmonary arteries, veins, and airways using iterative growth methods that can be merged into a final simulated lung with realistic features. These synthetic cases, together with labeled real CT datasets, have been used as reference for the development of a fully automatic pulmonary AV segmentation/separation method. The approach comprises a vessel extraction stage using scale-space particles and their posterior artery-vein classification using Graph-Cuts (GC) based on arterial/venous similarity scores obtained with a Machine Learning (ML) pre-classification step and particle connectivity information. Validation of pulmonary phantoms from visual examination and quantitative measurements of intensity distributions, dispersion of structures and relationships between pulmonary air and blood flow systems, show good correspondence between real and synthetic lungs. The evaluation of the Artery-Vein (AV) segmentation algorithm, based on different strategies to assess the accuracy of vessel particles classification, reveal accurate differentiation between arteries and vein in both real and synthetic cases that open a huge range of possibilities in the clinical study of cardiopulmonary diseases and the development of methodological approaches for the analysis of pulmonary images.

Pulsatile blood flow interaction with arterial walls of aorta : autoregulation and impedance pressure boundary condition and its biomedical applications

Para las decisiones urgentes sobre intervenciones quirúrgicas en el sistema cardiovascular se necesitan simulaciones computacionales con resultados fiables y que consuman un tiempo de cálculo razonable. Durante años los investigadores han trabajado en diversos métodos numéricos de cálculo que resulten atractivos para los cirujanos. Estos métodos, precisos pero costosos desde el punto de vista del coste computacional, crean un desajuste entre la oferta de los ingenieros que realizan las simulaciones y los médicos que operan en el quirófano. Por otra parte, los métodos de cálculo más simplificados reducen el tiempo de cálculo pero pueden proporcionar resultados no realistas. El objetivo de esta tesis es combinar los conceptos de autorregulación e impedancia del sistema circulatorio, la interacción flujo sanguíneo-pared arterial y modelos geométricos idealizados tridimensionales de las arterias pero sin pérdida de realismo, con objeto de proponer una metodología de simulación que proporcione resultados correctos y completos, con tiempos de cálculo moderados. En las simulaciones numéricas, las condiciones de contorno basadas en historias de presión presentan inconvenientes por ser difícil conocerlas con detalle, y porque los resultados son muy sensibles ante pequeñas variaciones de dichas historias. La metodología propuesta se basa en los conceptos de autorregulación, para imponer la demanda de flujo aguas abajo del modelo en el ciclo cardiaco, y la impedancia, para representar el efecto que ejerce el flujo en el resto del sistema circulatorio sobre las arterias modeladas. De este modo las historias de presión en el contorno son resultados del cálculo, que se obtienen de manera iterativa. El método propuesto se aplica en una geometría idealizada del arco aórtico sin patologías y en otra geometría correspondiente a una disección Stanford de tipo A, considerando la interacción del flujo pulsátil con las paredes arteriales. El efecto de los tejidos circundantes también se incorpora en los modelos. También se hacen aplicaciones considerando la interacción en una geometría especifica de un paciente anciano que proviene de una tomografía computarizada. Finalmente se analiza una disección Stanford tipo B con tres modelos que incluyen la fenestración del saco. Clinicians demand fast and reliable numerical results of cardiovascular biomechanic simulations for their urgent pre-surgery decissions. Researchers during many years have work on different numerical methods in order to attract the clinicians' confidence to their colorful contours. Though precise but expensive and time-consuming methodologies create a gap between numerical biomechanics and hospital personnel. On the other hand, simulation simplifications with the aim of reduction in computational time may cause in production of unrealistic outcomes. The main objective of the current investigation is to combine ideas such as autoregulation, impedance, fluid-solid interaction and idealized geometries in order to propose a computationally cheap methodology without excessive or unrealistic simplifications. The pressure boundary conditions are critical and polemic in numerical simulations of cardiovascular system, in which a specific arterial site is of interest and the rest of the netwrok is neglected but represented by a boundary condition. The proposed methodology is a pressure boundary condition which takes advantage of numerical simplicity of application of an imposed pressure boundary condition on outlets, while it includes more sophisticated concepts such as autoregulation and impedance to gain more realistic results. Incorporation of autoregulation and impedance converts the pressure boundary conditions to an active and dynamic boundary conditions, receiving feedback from the results during the numerical calculations and comparing them with the physiological requirements. On the other hand, the impedance boundary condition defines the shapes of the pressure history curves applied at outlets. The applications of the proposed method are seen on idealized geometry of the healthy arotic arch as well as idealized Stanford type A dissection, considering the interaction of the arterial walls with the pulsatile blood flow. The effect of surrounding tissues is incorporated and studied in the models. The simulations continue with FSI analysis of a patient-specific CT scanned geometry of an old individual. Finally, inspiring of the statistic results of mortality rates in Stanford type B dissection, three models of fenestrated dissection sac is studied and discussed. Applying the developed boundary condition, an alternative hypothesis is proposed by the author with respect to the decrease in mortality rates in patients with fenestrations.

Origen y evolución histórico-legal del club deportivo en la Comunidad de Madrid (1833-1936)

Cuando se inició el trabajo para obtener el título de doctora, el proyecto era acerca de la financiación público privada de los clubes deportivos madrileños. El punto uno de ese primer índice, versaba sobre el origen del club deportivo en la Comunidad de Madrid (en este sentido, es preciso tener en cuenta que el territorio sufrió modificaciones, lo que antes eran pueblos hoy son distritos y lo que antes era provincia hoy es Comunidad Autónoma de Madrid, nuestro ámbito territorial de estudio). Al leer la doctrina autorizada que coincidía en su totalidad en que los primeros clubes deportivos fueron de origen inglés (el Recreativo de Huelva en el año1889 era considerado el primer club de España) y recordar dudas e inquietudes al respecto que surgieron durante la licenciatura, la investigación se tornó incómoda, por no decir temeraria. ¿Por qué había que limitarse a recoger las ideas de una doctrina, sin duda hoy y entonces prestigiosa, cuando se pensaba que aquella teoría del origen británico no podía ser, aunque fuera dentro de un marco teórico? No parecía tener sentido que no hubiera habido asociacionismo en España antes de la llegada de las compañías inglesas, pero sobre todo en Madrid, siempre bulliciosa en cuanto a participación ciudadana, por varios motivos: existían juegos y deportes populares autóctonos antes de que llegara el fútbol. ¿No se asociaban los madrileños para poder competir con otros?, ¿Se equivocó Goya al pintar estampas de juegos populares?, ¿Por qué existía entonces una Ley de Asociaciones de 1887, evidentemente anterior al Recreativo de Huelva (1889)? Las leyes se elaboran en respuesta a una necesidad social o a una costumbre anterior, o a las dos cosas. ¿Nadie pensó en la costumbre, siendo fuente del Derecho junto con la Ley y los principios generales?, ¿Nadie, estando tan cerca?, ¿Nadie, figurando en el artículo 1 del Código Civil? De esta forma, la justificación y objetivos cambiaron, la investigación se volvió otra, se tenía necesidad de probar la lógica o nada. Sólo hacían falta las pruebas documentales que aportaran luz y fueran tangibles para la argumentación jurídica. Así, entre las reglas del juego de la norma jurídica, la jurisprudencia y la doctrina, se desenvuelve el marco teórico de este trabajo. Es necesario para ello conocer cómo funciona la legislación que afecta a los clubes deportivos en la actualidad para entender las similitudes con los clubes pioneros. Es preciso comprender que una Ley nunca se encuentra aislada de otras, que todas están relacionadas, que los cruces son inevitablemente ilimitados y los resultados inmensos. Se ha realizado un análisis de una realidad compleja que trasciende de lo jurídico y lo deportivo. Respecto al material y método, no se encontraban referencias de estudios comparados, desde el punto de vista jurídico, de los Estatutos de los primeros clubes deportivos madrileños, ni nombrarlos hasta que a principios del año 2013 digitalizamos en la Biblioteca Nacional el Reglamento del Instituto de Gimnástica, Equitación y Esgrima (Villalobos, 1842); la prueba documental que se buscaba para apoyar la teoría ya era tangible. Luego se encontrarían otros para añadir a la muestra y también documentación probatoria complementaria. Tampoco había trabajos sobre la documentación emanada de la Administración Pública, por lo que se han estudiado Expedientes administrativos así como su comparativa con la legislación coetánea y la actual, lo que ha permitido concretar más la forma y tipología de las primeras formas jurídicas deportivas. Para la búsqueda de documentación se ha recurrido a bibliotecas, archivos e incluso depósitos que tenían legajos sin clasificar, habían sufrido las inundaciones y carcoma que azotaron a los sótanos de Madrid e incluso a alguno el fuego le miró de reojo. La documentación encontrada ha permitido convivir con los personajes que habitaron los clubes pioneros en los primeros domicilios sociales; historias reales con banda sonora propia. Y es que el nacimiento del asociacionismo deportivo madrileño no se podría haber gestado en mejor momento; durante el Romanticismo, ni en mejor lugar, en las encrucijadas de las callejuelas estrechas cercanas a las grandes arterias de la Capital; un paseo por las calles Libertad, Barbieri, Minas, Hortaleza y Montera. Los resultados de la investigación confirman la teoría de que el primer club deportivo madrileño nada tuvo que ver con los clubes que posteriormente vinieron en los equipajes de las compañías inglesas. Ni en tiempo, son anteriores; ni en lugar, Madrid; ni en forma, la comparativa con un club británico de la época denota diferencias o mejor, deficiencias, pero más que nada en el fondo. Los clubes madrileños tenían una naturaleza que reflejaba el sentir de los primeros socios y el espíritu de la Capital: beneficencia, espectáculo, participación ciudadana y trabajo en equipo. También se demuestra, tanto en los resultados como en la discusión, las particularidades de los primeros clubes madrileños en cuanto a su relación con la imprenta, la docencia, la prensa, las instalaciones deportivas siempre compartidas con la cultura como la terminología y las equipaciones, pero sobre todo la especial relación con el inherente derecho de reunión. Difícil pensar en un principio que la prueba de la costumbre se encontrara en la cartelería teatral, y que un programa de una competición deportiva escondiera unos Estatutos durante siglos. ABSTRACT When work for a doctorate degree began, the project was about public-private financing of sports clubs Madrid. At point one of the first index, concerned the origin of the sports club in Madrid ( Keep in mind that the territory was modified, which were towns before today are districts and what was once the province is now Community Autonomous of Madrid, our territorial area of study). When reading the authoritative doctrine which coincided entirely in the first sports clubs were of English origin (Huelva Recreation Club, 1889) and remember about questions and concerns raised during the undergraduate research became awkward, if not reckless. Why it had to be limited to collecting the ideas of a doctrine certainly prestigious now and then, when it was thought that this theory could not be British origin, albeit within a framework? It did not seem to make sense that there had been associations in Spain before the arrival of British companies, but especially in Madrid, always busy in terms of citizen participation, for several reasons; and indigenous games were popular sports before the football do the locals are not associated to compete with other?, Goya was wrong to paint pictures of popular games?, Why then was no Associations Act, 1887, clearly previous Huelva Recreation Club (1889)? The laws are developed in response to a social need or a past practice, or both. No one thought of being a source of law practice with the law and the general principles? No, being so close? No one appearing in Article 1 of the Civil? Thus the rationale and objectives of the research turned back, it was necessary to try logic or anything. Only documentary evidence was needed that provide light and were tangible to the legal arguments. Thus, among the rules of the legal rule, jurisprudence and doctrine, the theoretical framework of this work develops, we need to know how legislation affects sports clubs at present to understand the similarities with clubs works pioneers, we must understand that a law is never isolated from others, they are all related, intersections are inevitably unlimited and the immense results. It has made an analysis of a complex reality that transcends the legal and sports. Regarding the material and method, no references to studies were compared, from the legal point of view, of the Statute of the first Madrid sports clubs, or name them until early 2013 digitized at the National Library of the Institute of Regulation Gymnastics, Riding and Fencing (Villalobos, 1842); the documentary evidence that was sought to support the theory was already tangible. Then they find others to add to the sample and further supporting documentation. There was also no work on the documentation issued by the Public Administration, which have been studied administrative records and their comparison with the contemporary legislation and the current, allowing more concrete form and type of the first sports legal forms. Search for documentation we have turned to libraries, archives and even deposits that were not rated bundles, had suffered flooding and decay in the basement of Madrid and even fire some looked askance. The found documents have enabled us to live with the characters that inhabited the early clubs in the first addresses; real stories with its own soundtrack. And the birth of the Madrid sports associations could not have been gestated at a better time ; during the Romantic period , or in a better place ; at the crossroads of the nearby narrow streets of the great arteries of the Capital; a walk along the Libertad, Barbieri, Minas, Hortaleza and Montera. The research results confirm the theory that the first Madrid sports club had nothing to do with the clubs that later came in the luggage of British companies, nor in time; They predate, or rather; Madrid, or in the form; the comparison with a British club denotes the time differences or rather shortcomings, but more than anything in the background; the Madrid club had a nature that reflect the sentiments of the first members and the spirit of the Capital; charity, show, citizen participation and teamwork. It is also shown in the results and discussion the particularities of the first locals clubs in their relationship with the press, teaching, media, sports facilities always shared with the culture and terminology and the kits, but all the special relationship with the inherent right of assembly; hard to think at first that the test of habit were in the theater posters, and a program of a sports competition hide Statutes for centuries.

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Dissertatio medica physiologico-pathologico-semiotica sistens morbos arteriarum cum suis causis, effectibus atque signis tam diagnosticis quam prognosticis : sub auspiciis ... Domino Ern. Aug. Constantino /

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Des anomalies artérielles considérées dans leurs rapports avec la pathologie et les opérations chirurgicales : ouvrage accompagné d'un atlas in-4 ?de 17 planches colorées /

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Compendio anatómico : quarta parte : De la angiologia, neurologia y adenologia ó Discurso teórico-práctico de la naturaleza y circunstancias de las arterias, de los nervios y de las glandulas, con portadilla propia, p. 375-480.

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Contiene con portada propia: Compendio anatómico: quarta parte de la angiologia, neurologia i adenologia, o Discurso theorico practico de la naturaleza i circustancias de las arterias, de los nervios i de las glandulas / por ... Juan de Dios Lopez ...

Compendio anatomico : tercera parte, Esplanchnologia, de la naturaleza, i circunstancias de todas las visceras ó entrañas contenidas en las tres cavidades /

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Alberti v. Haller ... De partium corporis humani ... Tom. IV. Liber sextus. Arteriarum et venarum oeficia.

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