FMRI 3D registration based on Fourier space subsets using neural networks

In this work, we present a neural network (NN) based method designed for 3D rigid-body registration of FMRI time series, which relies on a limited number of Fourier coefficients of the images to be aligned. These coefficients, which are comprised in a small cubic neighborhood located at the first octant of a 3D Fourier space (including the DC component), are then fed into six NN during the learning stage. Each NN yields the estimates of a registration parameter. The proposed method was assessed for 3D rigid-body transformations, using DC neighborhoods of different sizes. The mean absolute registration errors are of approximately 0.030 mm in translations and 0.030 deg in rotations, for the typical motion amplitudes encountered in FMRI studies. The construction of the training set and the learning stage are fast requiring, respectively, 90 s and 1 to 12 s, depending on the number of input and hidden units of the NN. We believe that NN-based approaches to the problem of FMRI registration can be of great interest in the future. For instance, NN relying on limited K-space data (possibly in navigation echoes) can be a valid solution to the problem of prospective (in frame) FMRI registration.

3D-2D image registration by nonlinear regression

We propose a 3D-2D image registration method that relates image features of 2D projection images to the transformation parameters of the 3D image by nonlinear regression. The method is compared with a conventional registration method based on iterative optimization. For evaluation, simulated X-ray images (DRRs) were generated from coronary artery tree models derived from 3D CTA scans. Registration of nine vessel trees was performed, and the alignment quality was measured by the mean target registration error (mTRE). The regression approach was shown to be slightly less accurate, but much more robust than the method based on an iterative optimization approach.

Integração e contextualização de modelos 3D no ensino da área da saúde

Mestrado em Engenharia Informática. Sistemas Gráficos e Multimédia.

Sistema de modelização tridimensional para ambientes não estruturados

A navegação de veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um problema em aberto. A complexidade do mundo real ainda é um desafio. A difícil caracterização do relevo irregular, dos objectos dinâmicos e pouco distintos(e a inexistência de referências de localização) tem sido alvo de estudo e do desenvolvimento de vários métodos que permitam de uma forma eficiente, e em tempo real, modelizar o espaço tridimensional. O trabalho realizado ao longo desta dissertação insere-se na estratégia do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) na pesquisa e desenvolvimento de sistemas sensoriais que possibilitem o aumento da capacidade de percepção das plataformas robóticas. O desenvolvimento de um sistema de modelização tridimensional visa acrescentar aos projectos LINCE (Land INtelligent Cooperative Explorer) e TIGRE (Terrestrial Intelligent General proposed Robot Explorer) maior autonomia e capacidade de exploração e mapeamento. Apresentamos alguns sensores utilizados para a aquisição de modelos tridimensionais, bem como alguns dos métodos mais utilizados para o processo de mapeamento, e a sua aplicação em plataformas robóticas. Ao longo desta dissertação são apresentadas e validadas técnicas que permitem a obtenção de modelos tridimensionais. É abordado o problema de analisar a cor e geometria dos objectos, e da criação de modelos realistas que os representam. Desenvolvemos um sistema que nos permite a obtenção de dados volumétricos tridimensionais, a partir de múltiplas leituras de um Laser Range Finder bidimensional de médio alcance. Aos conjuntos de dados resultantes associamos numa nuvem de pontos coerente e referenciada. Foram desenvolvidas e implementadas técnicas de segmentação que permitem inspeccionar uma nuvem de pontos e classifica-la quanto às suas características geométricas, bem como ao tipo de estruturas que representem. São apresentadas algumas técnicas para a criação de Mapas de Elevação Digital, tendo sido desenvolvida um novo método que tira partido da segmentação efectuada

Modelo generalista de páginas Web para motores de pesquisa com interface 3D

Web tornou-se uma ferramenta indispensável para a sociedade moderna. A capacidade de aceder a enormes quantidades de informação, disponível em praticamente todo o mundo, é uma grande vantagem para as nossas vidas. No entanto, a quantidade avassaladora de informação disponível torna-se um problema, que é o de encontrar a informação que precisamos no meio de muita informação irrelevante. Para nos ajudar nesta tarefa, foram criados poderosos motores de pesquisa online, que esquadrinham a Web à procura dos melhores resultados, segundo os seus critérios, para os dados que precisamos. Actualmente, os motores de pesquisa em voga, usam um formato de apresentação de resultados simples, que consiste apenas numa caixa de texto para o utilizador inserir as palavras-chave sobre o tema que quer pesquisar e os resultados são dispostos sobre uma lista de hiperligações ordenada pela relevância que o motor atribui a cada resultado. Porém, existem outras formas de apresentar resultados. Uma das alternativas é apresentar os resultados sobre interfaces em 3 dimensões. É nestes tipos de sistemas que este trabalho vai incidir, os motores de pesquisa com interfaces em 3 dimensões. O problema é que as páginas Web não estão preparadas para serem consumidas por este tipo de motores de pesquisa. Para resolver este problema foi construído um modelo generalista para páginas Web, que consegue alimentar os requisitos das diversas variantes destes motores de pesquisa. Foi também desenvolvido um protótipo de instanciação automático, que recolhe as informações necessárias das páginas Web e preenche o modelo.

Visualização e manipulação de informação em ambientes 3D imersivos

Ainda antes da invenção da escrita, o desenho foi utilizado para descrever a realidade, tendo evoluído ao longo dos tempos, ganhando mais qualidade e pormenor e recorrendo a suportes cada vez mais evoluídos que permitissem a perpetuação dessa imagem: dessa informação. Desde as pinturas rupestres, nas paredes de grutas paleolíticas, passando pelos hieróglifos, nos templos egípcios, nas gravuras das escrituras antigas e nos quadros sobre tela, a intenção sempre foi a de transmitir a informação da forma mais directa e perceptível por qualquer indivíduo. Nos dias de hoje as novas tecnologias permitem aceder à informação com uma facilidade nunca antes vista ou imaginada, estando certamente ainda por descobrir outras formas de registar e perpetuar a informação para as gerações vindouras. A fotografia está na origem das grandes evoluções da imagem, permitindo capturar o momento, tornando-o “eterno”. Hoje em dia, na era da imagem digital, além de se mostrar a realidade, é possível incorporar na imagem informação adicional, de modo a enriquecer a experiência de visualização e a maximizar a aquisição do conhecimento. As possibilidades da visualização em três dimensões (3D) vieram dar o realismo que faltava ao formato de fotografia original. O 3D permite a imersão do espectador no ambiente que, a própria imagem retrata, à qual se pode ainda adicionar informação escrita ou até sensorial como, por exemplo, o som. Esta imersão num ambiente tridimensional permite ao utilizador interagir com a própria imagem através da navegação e exploração de detalhes, usando ferramentas como o zoom ou ligações incorporados na imagem. A internet é o local onde, hoje em dia, já se disponibilizam estes ambientes imersivos, tornando esta experiência muita mais acessível a qualquer pessoa. Há poucos anos ainda, esta prática só era possível mediante o recurso a dispositivos especificamente construídos para o efeito e que, por isso, apenas estavam disponíveis a grupos restritos de utilizadores. Esta dissertação visa identificar as características de um ambiente 3D imersivo e as técnicas existentes e possíveis de serem usadas para maximizar a experiência de visualização. Apresentar-se-ão algumas aplicações destes ambientes e sua utilidade no nosso dia-a-dia, antevendo as tendências futuras de evolução nesta área. Serão apresentados exemplos de ferramentas para a composição e produção destes ambientes e serão construídos alguns modelos ilustrativos destas técnicas, como forma de avaliar o esforço de desenvolvimento e o resultado obtido, comparativamente com formas mais convencionais de transmitir e armazenar a informação. Para uma avaliação mais objectiva, submeteram-se os modelos produzidos à apreciação de diversos utilizadores, a partir da qual foram elaboradas as conclusões finais deste trabalho relativamente às potencialidades de utilização de ambientes 3D imersivos e suas mais diversas aplicações.

The shape of soap films and Plateau borders

We have calculated the shapes of flat liquid films, and of the transition region to the associated Plateau borders (PBs), by integrating the Laplace equation with a position-dependent surface tension γ(x), where 2x is the local film thickness. We discuss films in either zero or non-zero gravity, using standard γ(x) potentials for the interaction between the two bounding surfaces. We have investigated the effects of the film flatness, liquid underpressure, and gravity on the shape of films and their PBs. Films may exhibit 'humps' and/or 'dips' associated with inflection points and minima of the film thickness. Finally, we propose an asymptotic analytical solution for the film width profile.

Morfometria do trato vocal por ressonância magnética: simulação de padrões patológicos articulatórios

Introdução – A análise da forma ou morfometria de estruturas anatómicas, como o trato vocal, pode ser efetuada a partir de imagens bidimensionais (2D) como de aquisições volumétricas (3D) de ressonância magnética (RM). Esta técnica de imagem tem vindo a ter uma utilização crescente no estudo da produção da fala. Objetivos – Demonstrar como pode ser efetuada a morfometria do trato vocal a partir da imagem por ressonância magnética e ainda apresentar padrões anatómicos normais durante a produção das vogais [i a u] e dois padrões articulatórios patológicos em contexto simulado. Métodos – As imagens consideradas foram recolhidas a partir de aquisições 2D (Turbo Spin-eco) e 3D (Flash Gradiente-Eco) de RM em quatro sujeitos durante a produção das vogais em estudo; adicionalmente procedeu-se à avaliação de duas perturbações articulatórias usando o mesmo protocolo de RM. A morfometria do trato vocal foi extraída com recurso a técnicas manuais (para extração de cinco medidas articulatórias) e automáticas (para determinação de volumes) de processamento e análise de imagem. Resultados – Foi possível analisar todo o trato vocal, incluindo a posição e a forma dos articuladores, tendo por base cinco medidas descritivas do posicionamento destes órgãos durante a produção das vogais. A determinação destas medições permitiu identificar quais as estratégias mais comummente adotadas na produção de cada som, nomeadamente a postura articulatória e a variação de cada medida para cada um dos sujeitos em estudo. No contexto de voz falada intersujeitos, foi notória a variabilidade nos volumes estimados do trato vocal para cada som e, em especial, o aumento do volume do trato vocal na perturbação articulatória de sigmatismo. Conclusão – A imagem por RM é, sem dúvida, uma técnica promissora no estudo da fala, inócua, não-invasiva e que fornece informação fiável da morfometria do trato vocal.

Enzymatic determination of choline in milk using a FIA system with potentiometric detection

The development of a FIA system for the determination of total choline content in several types of milk is described. The samples were submitted to hydrochloric acid digestion before injection into the system and passed through an enzymatic reactor containing choline oxidase immobilised on glass beads. This enzymatic reaction releases hydrogen peroxide which then reacts with a solution of iodide. The decrease in the concentration of iodide ion is quantified using an iodide ion selective tubular electrode based on a homogeneous crystalline membrane. Validation of the results obtained with this system was performed by comparison with results from a method described in the literature and applied to the determination of total choline in milks. The relative deviation was always < 5%. The repeatability of the method developed was assessed by calculation of the relative standard deviation (RSD) for 12 consecutive injections of one sample. The RSD obtained was < 0.6%.

Magnetic resonance imaging of the vocal tract: techniques and applications

Magnetic resonance (MR) imaging has been used to analyse and evaluate the vocal tract shape through different techniques and with promising results in several fields. Our purpose is to demonstrate the relevance of MR and image processing for the vocal tract study. The extraction of contours of the air cavities allowed the set - up of a number of 3D reconstruction image stacks by means of the combination of orthogonally oriented sets of slices for e ach articulatory gesture, as a new approach to solve the expected spatial under sampling of the imaging process. In result these models give improved information for the visualization of morphologic and anatomical aspects and are useful for partial measure ments of the vocal tract shape in different situations. Potential use can be found in Medical and therapeutic applications as well as in acoustic articulatory speech modelling.

Analysis of tongue shape and motion in speech production using statistical modeling

The mechanisms of speech production are complex and have been raising attention from researchers of both medical and computer vision fields. In the speech production mechanism, the articulator’s study is a complex issue, since they have a high level of freedom along this process, namely the tongue, which instigates a problem in its control and observation. In this work it is automatically characterized the tongues shape during the articulation of the oral vowels of Portuguese European by using statistical modeling on MR-images. A point distribution model is built from a set of images collected during artificially sustained articulations of Portuguese European sounds, which can extract the main characteristics of the motion of the tongue. The model built in this work allows under standing more clearly the dynamic speech events involved during sustained articulations. The tongue shape model built can also be useful for speech rehabilitation purposes, specifically to recognize the compensatory movements of the articulators during speech production.

Towards the detection of deception in interactive multimedia environments

A classical application of biosignal analysis has been the psychophysiological detection of deception, also known as the polygraph test, which is currently a part of standard practices of law enforcement agencies and several other institutions worldwide. Although its validity is far from gathering consensus, the underlying psychophysiological principles are still an interesting add-on for more informal applications. In this paper we present an experimental off-the-person hardware setup, propose a set of feature extraction criteria and provide a comparison of two classification approaches, targeting the detection of deception in the context of a role-playing interactive multimedia environment. Our work is primarily targeted at recreational use in the context of a science exhibition, where the main goal is to present basic concepts related with knowledge discovery, biosignal analysis and psychophysiology in an educational way, using techniques that are simple enough to be understood by children of different ages. Nonetheless, this setting will also allow us to build a significant data corpus, annotated with ground-truth information, and collected with non-intrusive sensors, enabling more advanced research on the topic. Experimental results have shown interesting findings and provided useful guidelines for future work. Pattern Recognition

Sensors for the detection and quantification of bacterial contamination in water for human use

The deterioration of water quality by Cyanobacteria cause outbreaks and epidemics associated with harmful diseases in Humans and animals because of the toxins that they release. Microcystin-LR is one of the hepatotoxins most widely studied and the World Health Organization, recommend a maximum value of 1mgL 1 in drinking water. Highly specific recognition molecules, such as molecular imprinted polymers are developed to quantify microcystins in waters for human use and shown to be of great potential in the analysis of these kinds of samples. The obtained results were auspicious, the detection limit found, 1.5mgL 1, being of the same order of magnitude as the guideline limit recommended by the WHO. This technology is very promising because the sensors are stable and specific, and the technology is inexpensive and allows for rapid on-site monitoring.

A multiresidue method for the analysis of carbamate and urea pesticides from soils by microwave-assisted extraction and liquid chromatography with photodiode array detection

A multiresidue approach using microwave-assisted extraction and liquid chromatography with photodiode array detection was investigated for the determination of butylate, carbaryl, carbofuran, chlorpropham, ethiofencarb, linuron,metobromuron, and monolinuron in soils. The critical parameters of the developed methodology were studied. Method validation was performed by analyzing freshly and aged spiked soil samples. The recoveries and relative standard deviations reached using the optimized conditions were between 77.0 ± 0.46% and 120 ± 2.9% except for ethiofencarb (46.4 ± 4.4% to 105 ± 1.6%) and butylate (22.1 ± 7.6% to 49.2 ± 11%). Soil samples from five locations of Portugal were analysed.