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.

ANALISANDO A RELAÇÃO DOS VOLUMES DE EXPORTAÇÃO E DE IMPORTAÇÃO, PIB, TAXAS DE CÂMBIO E INFLAÇÃO NO PERÍODO DE 2004 A 2014.

Esta dissertação visa deslumbrar uma análise macroeconômica do Brasil, especialmente no que se refere à relação dos índices mensais dos volumes das exportações e das importações com os volumes mensais do PIB, da Taxa SELIC e as Taxas de Câmbio, conforme dados coletados no período de janeiro de 2004 a dezembro de 2014, através de pesquisa literária referente aos históricos sobre cada conceito envolvido no âmbito da macroeconomia das varáveis estudadas. Foi realizado um estudo de caso embasado em dados de sites governamentais, no período delimitado, empregando-se o método de regressão linear, com base na Teoria da correlação de Pearson, demonstrando os resultados obtidos no período do estudo para as varáveis estudadas. Desta maneira, conseguiu-se estudar e analisar como as variáveis dependentes (resposta): volume das exportações e volume das importações estão relacionadas com as varáveis independentes (explicativas): PIB, Taxa Selic e taxa de Câmbio. Os resultados apurados no presente estudo permitem identificar que existe correlação moderada e negativa, quando analisadas a Taxa Selic e a Taxa de Câmbio com os volumes das exportações e das importações, enquanto o PIB apresenta correlação forte e positiva na análise com os volumes das exportações e das importações

YPD™, PombePD™ and WormPD™: model organism volumes of the BioKnowledge™ Library, an integrated resource for protein information

The BioKnowledge Library is a relational database and web site (http://www.proteome.com) composed of protein-specific information collected from the scientific literature. Each Protein Report on the web site summarizes and displays published information about a single protein, including its biochemical function, role in the cell and in the whole organism, localization, mutant phenotype and genetic interactions, regulation, domains and motifs, interactions with other proteins and other relevant data. This report describes four species-specific volumes of the BioKnowledge Library, concerned with the model organisms Saccharo­myces cerevisiae (YPD), Schizosaccharomyces pombe (PombePD) and Caenorhabditis elegans (WormPD), and with the fungal pathogen Candida albicans (CalPD™). Protein Reports of each species are unified in format, easily searchable and extensively cross-referenced between species. The relevance of these comprehensively curated resources to analysis of proteins in other species is discussed, and is illustrated by a survey of model organism proteins that have similarity to human proteins involved in disease.

The resource consumption principle: attention and memory in volumes of neural tissue.

In the cerebral cortex, the small volume of the extracellular space in relation to the volume enclosed by synapses suggests an important functional role for this relationship. It is well known that there are atoms and molecules in the extracellular space that are absolutely necessary for synapses to function (e.g., calcium). I propose here the hypothesis that the rapid shift of these atoms and molecules from extracellular to intrasynaptic compartments represents the consumption of a shared, limited resource available to local volumes of neural tissue. Such consumption results in a dramatic competition among synapses for resources necessary for their function. In this paper, I explore a theory in which this resource consumption plays a critical role in the way local volumes of neural tissue operate. On short time scales, this principle of resource consumption permits a tissue volume to choose those synapses that function in a particular context and thereby helps to integrate the many neural signals that impinge on a tissue volume at any given moment. On longer time scales, the same principle aids in the stable storage and recall of information. The theory provides one framework for understanding how cerebral cortical tissue volumes integrate, attend to, store, and recall information. In this account, the capacity of neural tissue to attend to stimuli is intimately tied to the way tissue volumes are organized at fine spatial scales.

O efeito de diferentes volumes de treinamento de força nas adaptações funcionais e morfológicas da musculatura esquelética em indivíduos treinados

O objetivo desse estudo foi verificar o efeito de diferentes volumes de treinamento de força na força máxima de membros inferiores e na hipertrofia do reto femoral e do vasto lateral após quatro, oito e doze semanas em indivíduos treinados em força. Vinte e seis indivíduos jovens saudáveis do sexo masculino (idade 23,6 ± 4,6 anos, massa corporal 76,6 ± 7,5 kg, estatura 1,75 ± 0,1 cm), com tempo médio de treinamento de força (4,7 ± 4,1 anos) foram divididos em três grupos experimentais, treinamento de força alto volume (TFAV, n = 8), treinamento de força médio volume (TFMV, n = 9) e treinamento de força baixo volume (TFBV, n = 9). As medidas de força dinâmica máxima (1RM) e de área de secção transversa muscular (ASTM) do reto femoral (RF) e do vasto lateral (VL) foram realizadas nos momentos pré- treinamento, pós quatro semanas, pós oito semanas e pós-treinamento. O volume total de treinamento apresentou aumento estatístico para todos os grupos TFAV (p < 0,0001), TFMV (p < 0,0001) e TFBV (p < 0,0001) ao longo do período experimental. Os valores de 1RM aumentaram de maneira significativa após a oitava semana de treinamento TFAV (11,8 ± 4,7%; p < 0,0001) e TFMV (12,1 ± 8,5%; p < 0,0001) e TFBV (9,6 ± 7,3%; p < 0,001) e no pós-treinamento TFAV (13,9 ± 3,9%; p < 0,0001), TFMV (16,7 ± 10,8%; p < 0,0001) e TFBV (14,0 ± 8,1%; p < 0,0001) para todos os grupos, porém não foi observado diferença entre os grupos. A ASTM do RF apresentou aumento estatístico no pós-treinamento somente para o grupo TFAV (15,0 ± 11,9%; p < 0,0001). Apenas o grupo TFAV aumentou estatisticamente a ASTM do VL após quatro semanas de treinamento (7,71 ± 4,42%; p < 0,0001), porém todos os grupos aumentaram significativamente a ASTM do VL após oito semanas de treinamento TFAV (11,37 ± 3,88%; p < 0,0001), TFMV (9,68 ± 9,36%; p < 0,0001) e TFBV (7,26 ± 3,15%; p < 0,01) e no pós-treinamento TFAV (14,54 ± 4,07%; p < 0,0001), TFMV (14,77 ± 8,24%; p < 0,0001) e TFBV (8,66 ± 3,97%; p < 0,001), porém não foi observado diferença entre os grupos. Os resultados do presente estudo demonstraram que, independente do volume adotado, os ganhos de força máxima foram semelhantes. Por outro lado, a ASTM foi influenciada pelo volume de treinamento, dado que o grupo TFAV foi o único que apresentou aumento significativo da ASTM do RF no pós-treinamento e aumentou a ASTM do VL com apenas quatro semanas de treinamento

I. Calculation of the length of printed lines of all the volumes in the Harvard Library, ca. 1789

This series contains one small leaf with handwritten calculations related to the number of volumes in the Harvard College Library. The verso has the note: "No. of Vol: in Harvard College 11465 vol. making one line 15380 miles long. The document is in the hand of Loammi Baldwin Sr., and may have been created in 1789 while the Library was compiling a catalog of its holdings.

I. Calculation of the length of printed lines of all the volumes in the Harvard Library, ca. 1789

This series contains one small leaf with handwritten calculations related to the number of volumes in the Harvard College Library. The verso has the note: "No. of Vol: in Harvard College 11465 vol. making one line 15380 miles long. The document is in the hand of Loammi Baldwin Sr., and may have been created in 1789 while the Library was compiling a catalog of its holdings.

Constituição, dimensionamento e conservação de pavimentos para baixos volumes de tráfego

As Estradas de baixo volume de tráfego (EBVT) têm um importante papel para o desenvolvimento de um país porque representam uma extensão considerável da malha rodoviária existente, sendo de grande relevância social e económica. A função económica da infraestrutura rodoviária traduz-se, por um lado, pelo montante de recursos investidos na sua construção e manutenção e, por outro lado, pelo suporte que garantem à mobilidade de pessoas e bens. Os pavimentos daquelas infraestruturas são uma componente fundamental para o seu bom desempenho, o que explica a importância de empregar bons métodos de dimensionamento. Pavimentos rodoviários subdimensionados e com estratégias de conservação deficientes sofrerão rotura prematura, o que conduzirá a altos custos de reconstrução e grandes perdas económicas. Por sua vez, pavimentos sobredimensionados envolverão desperdício dos recursos, os quais poderiam ser utilizados para melhorar outras características igualmente relevantes para a infraestrutura. Verifica-se ainda que, nos últimos anos, as empresas construtoras portuguesas têm alargado a sua atividade para países africanos, nos quais as soluções de pavimentação utilizam solos naturais ou estabilizados nas camadas estruturais, e revestimentos betuminosos delgados colocados sobre aquelas, porquanto há escassez de materiais pétreos para uso rodoviário. Por isso, as técnicas de pavimentação utilizadas em Portugal e na Europa não são geralmente utilizadas nos países africanos. Essa realidade leva a que os técnicos portugueses ao serviço de empresas que atuam em mercados africanos necessitem de reunir informação sistematizada sobre o assunto, o que acarreta algumas dificuldades. É, assim, de todo o interesse reunir informação dispersa sobre os materiais a utilizar para as situações referidas, assim como avaliar as metodologias de dimensionamento que poderão utilizar-se, de modo a estabelecer estruturas de pavimentos e as características dos materiais que as constituem, de modo conseguir infraestruturas de transporte rodoviário que suportem a economia de um território. A par da conceção e do dimensionamento estão as estratégias e as técnicas de conservação das estruturas de pavimentos, de modo a contribuir para a durabilidade da infraestrutura e para o desenvolvimento da economia do território servido. Pelas razões aduzidas, na presente dissertação procurou-se reunir informação dispersa sobre os aspetos relevantes da constituição, conceção, dimensionamento e conservação de pavimentos de estruturas pouco espessas de pavimentos, destinados a tráfego de pesados pouco significativo no seu ciclo de vida, mas com picos de solicitação importantes. A sistematização e análise dos aspetos relevantes, e a aplicação a casos concretos, permitiu uma análise comparativa das soluções em confronto, quer no que diz respeito aos aspetos tecnológicos da construção e da conservação, quer no que se refere aos aspetos do dimensionamento deste tipo de pavimentos, constituindo uma contribuição útil para o setor.

Prospective longitudinal study of subcortical brain volumes in individuals at high familial risk of mood disorders with or without subsequent onset of depression

Subcortical volumetric brain abnormalities have been observed in mood disorders. However, it is unknown whether these reflect adverse effects predisposing to mood disorders or emerge at illness onset. Magnetic resonance imaging was conducted at baseline and after two years in 111 initially unaffected young adults at increased risk of mood disorders because of a close family history of bipolar disorder and 93 healthy controls (HC). During the follow-up, 20 high-risk subjects developed major depressive disorder (HR-MDD), with the others remaining well (HR-well). Volumes of the lateral ventricles, caudate, putamen, pallidum, thalamus, hippocampus and amygdala were extracted for each hemisphere. Using linear mixed-effects models, differences and longitudinal changes in subcortical volumes were investigated between groups (HC, HR-MDD, HR-well). There were no significant differences for any subcortical volume between groups controlling for multiple testing. Additionally, no significant differences emerged between groups over time. Our results indicate that volumetric subcortical brain abnormalities of these regions using the current method appear not to form familial trait markers for vulnerability to mood disorders in close relatives of bipolar disorder patients over the two-year time period studied. Moreover, they do not appear to reduce in response to illness onset at least for the time period studied.