Numerical methods for solar tomography in the STEREO era

In this thesis, we propose several advances in the numerical and computational algorithms that are used to determine tomographic estimates of physical parameters in the solar corona. We focus on methods for both global dynamic estimation of the coronal electron density and estimation of local transient phenomena, such as coronal mass ejections, from empirical observations acquired by instruments onboard the STEREO spacecraft. We present a first look at tomographic reconstructions of the solar corona from multiple points-of-view, which motivates the developments in this thesis. In particular, we propose a method for linear equality constrained state estimation that leads toward more physical global dynamic solar tomography estimates. We also present a formulation of the local static estimation problem, i.e., the tomographic estimation of local events and structures like coronal mass ejections, that couples the tomographic imaging problem to a phase field based level set method. This formulation will render feasible the 3D tomography of coronal mass ejections from limited observations. Finally, we develop a scalable algorithm for ray tracing dense meshes, which allows efficient computation of many of the tomographic projection matrices needed for the applications in this thesis.

Savani: A variable resolution whole-mantle model of anisotropic shear velocity variations based on multiple data sets

International audience

Transmission electron tomography: quality assessment and enhancement for three-dimensional imaging of nanostructures

Nanotechnology has revolutionised humanity's capability in building microscopic systems by manipulating materials on a molecular and atomic scale. Nan-osystems are becoming increasingly smaller and more complex from the chemical perspective which increases the demand for microscopic characterisation techniques. Among others, transmission electron microscopy (TEM) is an indispensable tool that is increasingly used to study the structures of nanosystems down to the molecular and atomic scale. However, despite the effectivity of this tool, it can only provide 2-dimensional projection (shadow) images of the 3D structure, leaving the 3-dimensional information hidden which can lead to incomplete or erroneous characterization. One very promising inspection method is Electron Tomography (ET), which is rapidly becoming an important tool to explore the 3D nano-world. ET provides (sub-)nanometer resolution in all three dimensions of the sample under investigation. However, the fidelity of the ET tomogram that is achieved by current ET reconstruction procedures remains a major challenge. This thesis addresses the assessment and advancement of electron tomographic methods to enable high-fidelity three-dimensional investigations. A quality assessment investigation was conducted to provide a quality quantitative analysis of the main established ET reconstruction algorithms and to study the influence of the experimental conditions on the quality of the reconstructed ET tomogram. Regular shaped nanoparticles were used as a ground-truth for this study. It is concluded that the fidelity of the post-reconstruction quantitative analysis and segmentation is limited, mainly by the fidelity of the reconstructed ET tomogram. This motivates the development of an improved tomographic reconstruction process. In this thesis, a novel ET method was proposed, named dictionary learning electron tomography (DLET). DLET is based on the recent mathematical theorem of compressed sensing (CS) which employs the sparsity of ET tomograms to enable accurate reconstruction from undersampled (S)TEM tilt series. DLET learns the sparsifying transform (dictionary) in an adaptive way and reconstructs the tomogram simultaneously from highly undersampled tilt series. In this method, the sparsity is applied on overlapping image patches favouring local structures. Furthermore, the dictionary is adapted to the specific tomogram instance, thereby favouring better sparsity and consequently higher quality reconstructions. The reconstruction algorithm is based on an alternating procedure that learns the sparsifying dictionary and employs it to remove artifacts and noise in one step, and then restores the tomogram data in the other step. Simulation and real ET experiments of several morphologies are performed with a variety of setups. Reconstruction results validate its efficiency in both noiseless and noisy cases and show that it yields an improved reconstruction quality with fast convergence. The proposed method enables the recovery of high-fidelity information without the need to worry about what sparsifying transform to select or whether the images used strictly follow the pre-conditions of a certain transform (e.g. strictly piecewise constant for Total Variation minimisation). This can also avoid artifacts that can be introduced by specific sparsifying transforms (e.g. the staircase artifacts the may result when using Total Variation minimisation). Moreover, this thesis shows how reliable elementally sensitive tomography using EELS is possible with the aid of both appropriate use of Dual electron energy loss spectroscopy (DualEELS) and the DLET compressed sensing algorithm to make the best use of the limited data volume and signal to noise inherent in core-loss electron energy loss spectroscopy (EELS) from nanoparticles of an industrially important material. Taken together, the results presented in this thesis demonstrates how high-fidelity ET reconstructions can be achieved using a compressed sensing approach.

Multi-modal ultrasound imaging for breast cancer detection

This work describes preliminary results of a two-modality imaging system aimed at the early detection of breast cancer. The first technique is based on compounding conventional echographic images taken at regular angular intervals around the imaged breast. The other modality obtains tomographic images of propagation velocity using the same circular geometry. For this study, a low-cost prototype has been built. It is based on a pair of opposed 128-element, 3.2 MHz array transducers that are mechanically moved around tissue mimicking phantoms. Compounded images around 360 degrees provide improved resolution, clutter reduction, artifact suppression and reinforce the visualization of internal structures. However, refraction at the skin interface must be corrected for an accurate image compounding process. This is achieved by estimation of the interface geometry followed by computing the internal ray paths. On the other hand, sound velocity tomographic images from time of flight projections have been also obtained. Two reconstruction methods, Filtered Back Projection (FBP) and 2D Ordered Subset Expectation Maximization (2D OSEM), were used as a first attempt towards tomographic reconstruction. These methods yield useable images in short computational times that can be considered as initial estimates in subsequent more complex methods of ultrasound image reconstruction. These images may be effective to differentiate malignant and benign masses and are very promising for breast cancer screening. (C) 2015 The Authors. Published by Elsevier B.V.

Exploração de escalonamentos óptimos na gestão de exames médicos

Uma das áreas de aplicação da optimização é a Engenharia Biomédica, pois a optimização intervém no estudo de próteses e implantes, na reconstrução tomográfica, na mecânica experimental, entre outras aplicações. Este projecto tem como principal objectivo a criação de um novo programa de marcação de exames médicos a fim de minimizar o tempo de espera na realização dos mesmos. É efectuada uma breve referência à teoria da optimização bem como à optimização linear e não-linear, aos algoritmos genéticos, que foram usados para a realização deste trabalho. É também apresentado um caso de estudo, formulado como um problema de optimização não linear com restrições. Com este estudo verificou-se que o escalonamento de exames médicos nunca poderá ser optimizado a 100por cento devido à quantidade de variáveis existentes, sendo que algumas delas não são passíveis de prever com antecedência.

Effect of ray and speed perturbations on ionospheric tomography by over-the-horizon radar: A new method

International audience

Cambios corticales en los dientes anteriores superiores e inferiores con Brackets convencionales, Damon y biofuncional QR en pacientes de trece a veinte y cuatro años

En el mercado existen varios sistemas de tratamiento en ortodoncia, los cuales deben ser estudiados para evitar que causen alteraciones en el periodonto, especialmente en los procesos alveolares corticales, por lo que el objetivo de este estudio fue conocer los cambios óseos alveolares, sean reabsorciones, aposiciones o ningún cambio óseo. Para realizar el estudio, se tomó como muestra tres sistemas de tratamiento: Sistema de Autoligado Damon, Sistema Biofuncional QR y Sistemas Convencionales Roth y MBT, estos brackets se aplicaron en 18 pacientes (seis de cada sistema), los cuales fueron sometidos a una tomografía antes del tratamiento y otra después de finalizada la etapa de alineación y nivelación. En los estudios tomográficos se realizaron trazados para medir en milímetros las corticales alveolares vestibulares, palatina y lingual, de los seis dientes anteriores superiores e inferiores, siendo la muestra total de 216 dientes. Para obtener los resultados del estudio, se ingresaron los datos recolectados en una hoja de cálculo Excel y procesados estadísticamente mediante el software SPSS versión 22, con las pruebas ANOVA y Tukey, obteniendo como resultados en el promedio de reabsorción ósea total p= 0,05 y con el Sistema Biofuncional QR una significancia de p= 0,025, en este último se demostró la presencia de aposición en la cortical lingual mandibular. Se concluyó que todos los sistemas de tratamiento causan reabsorciones óseas, siendo el Sistema Damon el de mayor reabsorción, seguido del Sistema convencional y luego el Sistema Biofuncional QR, produciendo este último una aposición estadísticamente significante. En los dientes anterosuperiores no existieron cambios óseos significativos y en los dientes anteroinferiores las mayores reabsorciones fueron en las piezas 42 y 32 y aposición en la pieza 41

Electron tomography of (In,Ga)N insertions in GaN nanocolumns grown on semi-polar (11(2)over-bar2) GaN templates

We present results of scanning transmission electron tomography on GaN/(In,Ga)N/GaN nanocolumns (NCs) that grew uniformly inclined towards the patterned, semi-polar GaN( 112̄ 2 ) substrate surface by molecular beam epitaxy. For the practical realization of the tomographic experiment, the nanocolumn axis has been aligned parallel to the rotation axis of the electron microscope goniometer. The tomographic reconstruction allows for the determination of the three-dimensional indium distribution inside the nanocolumns. This distribution is strongly interrelated with the nanocolumn morphology and faceting. The (In,Ga)N layer thickness and the indium concentration differ between crystallographically equivalent and non-equivalent facets. The largest thickness and the highest indium concentration are found at the nanocolumn apex parallel to the basal planes.

Étude paléopathologique préliminaire à travers l'analyse macroscopique et scanographique : exemple du cimetière St. Matthew, ville de Québec (1771-1860)

Sachant que plusieurs maladies entrainent des lésions qui ne sont pas toujours observables à l’oeil, cette étude préliminaire en paléopathologie humaine utilise une approche complémentaire issue de l’imagerie médicale, le ct-scan, afin de fournir des diagnostics plus précis. L’objectif est donc de tester ici l’efficacité et les limites de l’analyse scanographique durant l’analyse de spécimens archéologiques. Un échantillon de 55 individus a été sélectionné à partir de la collection ostéologique provenant du cimetière protestant St. Matthew (ville de Québec, 1771 – 1860). Une analyse macroscopique et scanographique complète a alors été effectuée sur chaque squelette. Les observations macroscopiques ont consisté à enregistrer une dizaine de critères standardisés par la littérature de référence en lien avec des manifestations anormales à la surface du squelette. Les ct-scans ont été réalisés à l’Institut National de la Recherche Scientifique de la Ville de Québec avec un tomodensitomètre Somatom de Siemens (définition AS+ 128). Les données scanographiques ont permis d’enregistrer une série de critères complémentaires sur la structure interne de l’os (amincissement/épaississement de la corticale, variation de densité, etc.) Selon la méthode du diagnostic différentiel, des hypothèses ou diagnostics ont été proposés. Ils sont principalement basés sur les critères diagnostiques mentionnés dans les manuels de référence en paléopathologie, mais aussi à l’aide de la littérature clinique et l’expertise de médecins. Les résultats présentés ici supportent que: 1) Dans 43% des cas, les données scanographiques ont apporté des informations essentielles dans la diagnose pathologique. Cette tendance se confirme en fonction de certaines maladies, mais pas d’autres, car certains diagnostics ne peuvent se faire sans la présence de tissus mous. 2) La distribution spatiale de la plupart des lésions varie selon les régions anatomiques, aussi bien en macroscopie qu’en scanographie. 3) Certains types de maladie semblent associés à l’âge et au sexe, ce qui est conforté par la littérature. 4) Cette recherche démontre aussi que le processus de diagnose nécessite, dans 38% des cas, une analyse complémentaire (ex. histologie, scintigraphie, radiographie) pour préciser le diagnostic final.

Étude paléopathologique préliminaire à travers l'analyse macroscopique et scanographique : exemple du cimetière St. Matthew, ville de Québec (1771-1860)

Sachant que plusieurs maladies entrainent des lésions qui ne sont pas toujours observables à l’oeil, cette étude préliminaire en paléopathologie humaine utilise une approche complémentaire issue de l’imagerie médicale, le ct-scan, afin de fournir des diagnostics plus précis. L’objectif est donc de tester ici l’efficacité et les limites de l’analyse scanographique durant l’analyse de spécimens archéologiques. Un échantillon de 55 individus a été sélectionné à partir de la collection ostéologique provenant du cimetière protestant St. Matthew (ville de Québec, 1771 – 1860). Une analyse macroscopique et scanographique complète a alors été effectuée sur chaque squelette. Les observations macroscopiques ont consisté à enregistrer une dizaine de critères standardisés par la littérature de référence en lien avec des manifestations anormales à la surface du squelette. Les ct-scans ont été réalisés à l’Institut National de la Recherche Scientifique de la Ville de Québec avec un tomodensitomètre Somatom de Siemens (définition AS+ 128). Les données scanographiques ont permis d’enregistrer une série de critères complémentaires sur la structure interne de l’os (amincissement/épaississement de la corticale, variation de densité, etc.) Selon la méthode du diagnostic différentiel, des hypothèses ou diagnostics ont été proposés. Ils sont principalement basés sur les critères diagnostiques mentionnés dans les manuels de référence en paléopathologie, mais aussi à l’aide de la littérature clinique et l’expertise de médecins. Les résultats présentés ici supportent que: 1) Dans 43% des cas, les données scanographiques ont apporté des informations essentielles dans la diagnose pathologique. Cette tendance se confirme en fonction de certaines maladies, mais pas d’autres, car certains diagnostics ne peuvent se faire sans la présence de tissus mous. 2) La distribution spatiale de la plupart des lésions varie selon les régions anatomiques, aussi bien en macroscopie qu’en scanographie. 3) Certains types de maladie semblent associés à l’âge et au sexe, ce qui est conforté par la littérature. 4) Cette recherche démontre aussi que le processus de diagnose nécessite, dans 38% des cas, une analyse complémentaire (ex. histologie, scintigraphie, radiographie) pour préciser le diagnostic final.

Asociación entre la escala de riesgo Framingham y el puntaje de calcio coronario

Introducción: Entre las diferentes herramientas clínicas para evaluar la presencia de enfermedad coronaria mediante puntajes, la más usada es la Escala de Riesgo cardiovascular de Framingham. Desde hace unos años, se creó el puntaje de calcio coronario el cual mide el riesgo cardiovascular según la presencia de placas ateromatosas vistas por tomografía computarizada. Se evaluó la asociación entre la escala de Framigham y el puntaje de calcio coronario en una población de sujetos sanos asintomáticos. Metodología: Se realizó un estudio transversal para evaluar la asociación entre el puntaje de calcio coronario y la escala de Framingham en sujetos asintomáticos que se practicaron exámen médico preventivo en la Fundación Cardioinfantil- Instituto de Cardiología (FCI-IC) en el periodo comprendido entre 1 de Julio 2011 hasta el 31 de octubre de 2015. Resultados: Se evaluaron 262 pacientes en total. La prevalencia de riesgo cardiovascular fue bajo en un 77.86% de la población, medio en 18.70% y alto en 3.44%, según la escala de Framingham. El riesgo cardiovascular según el puntaje de Calcio coronario fue nulo 70.99%, bajo en 21.75%, medio en 4.19%, severo en 3.05%. Se encontró una asociación entre ambos puntajes para riesgo estadísticamente significativa (p0,00001) Discusión: El riesgo cardiovascular establecido por escala de Framingham se relaciona de forma significativa con la presencia de placas aterioscleróticas. El estudio demostró que en una muestra de sujetos asintomáticos, hay una alteración estructural coronaria temprana.

Índice acumulativo de riesgo (nice) como prueba diagnóstica con base en tomografía corneal por elevación en la prevención de ectasia corneal post-lasik

Antecedentes La ectasia corneal post-lasik (ECPL) es una complicación infrecuente, pero devastadora en la cirugía lasik (queratomileusis asistida con éxcimer láser) para el tratamiento de la miopía con o sin astigmatismo. Con base en la tomografía corneal por elevación por imágenes de Scheimpflug (Sistema Pentacam HR, Oculus Wetzlar, Alemania), se propone un novedoso índice acumulativo de riesgo para ser utilizado como prueba diagnóstica de tamizaje y así prevenir esta complicación. Metodología Se realizó un estudio observacional analítico, de corte transversal tipo pruebas diagnósticas, con el fin de evaluar las características operativas del índice NICE teniendo como estándar de referencia el módulo de Belin-Ambrosio (Pentacam HR) utilizando un modelo de regresión logística binaria, tablas de contingencia y estimando el área bajo la curva ROC. Resultados Se evaluaron 361 ojos de los cuales el 59,3% provenían de pacientes de sexo femenino, la edad media global fue de 30 años (RIC 11,0). El modelo logístico binario aplicado se construyó con base en cuatro variables independientes cuantitativas (K2, PAQUI, EP e I-S) y una cualitativa (SEXO), y se determinó su relación con la variable dependiente, NICE (puntaje final). Las variables predictoras fueron estadísticamente significativas clasificando adecuadamente el 92,9% de los ojos evaluados según presencia o ausencia de riesgo. El coeficiente de Nagelkerke fue de 74,4%. Conclusiones El índice acumulativo de riesgo NICE es una herramienta diagnóstica novedosa en la evaluación de candidatos a cirugía refractiva lasik para prevenir la ectasia secundaria.

Hallazgos tomográficos como predictores del resultado funcional en edema macular secundario a oclusiones venosas retinianas

INTRODUCCIÓN: El Edema Macular (EM) es la principal causa de perdida de agudeza visual en pacientes con Oclusión Venosa Retiniana (OVR); luego del tratamiento, algunos pacientes persisten con mala agudeza visual. OBJETIVO: Realizar una Revisión Sistemática de la Literatura (RSL), para identificar la evidencia existente sobre factores tomográficos que predicen el resultado visual en pacientes con EM secundario a OVR. FUENTE DE LA INFORMACIÓN: PUBMED, MEDLINE, EMBASE, LILACS, COCHRANE, literatura gris. SELECCIÓN DE LOS ESTUDIOS: Ensayos Clínicos Controlados (ECC) y estudios observacionales analíticos. EXTRACCIÓN Y SÍNTESIS DE LOS DATOS: Dos investigadores seleccionaron los artículos de forma independiente. Se realizó una síntesis cualitativa de la información siguiendo las recomendaciones de la declaración PRISMA 2009. MEDIDAS Y DESENLACE PRINCIPAL: Grosor Retiniano Central (GRC), integridad de Banda Elipsoide e Integridad de Membrana Limitante Externa (MLE), determinados por SD OCT. El desenlace principal es la Agudeza Visual Mejor Corregida (AVMC) a los 6, 12,18 y/o 24 meses. RESULTADOS: Se identificaron 872 abstract y se incluyeron 8 artículos en el análisis cualitativo. Seis estudios evaluaron el GRC sin encontrar asociación con resultado visual final. Solo 2 estudios evaluaron y encontraron asociación estadísticamente significativa de la integridad de la MLE con el desenlace visual, Kang, H 2012 (r2 0,51 p 0,000), Rodriguez, F 2014 (p< 0,001). La integridad de la BE fue asociada a pronostico visual en 4 de 5 estudios que evaluaron esta variable, con resultados estadísticamente significativos. La AVMC de base también se asocio con desenlace visual en 4 de 5 estudios que la evaluaron. El mejor modelo que predice el resultado funcional según el estudio de Kang, H 2012 fue: Integridad de MLE, integridad de BE y AVMC de base (R2 0,671 p 0,000), a los 12 meses de seguimiento. CONCLUSION: La evidencia actual sugiere que la integridad de la BE y la MLE son predictores del resultados funcional en pacientes con EM secundario a OVR después de 6 o mas meses de seguimiento. Es necesario la realización de estudios controlados para llegar a resultados mas concluyentes.

FAST-E en Pacientes con Trauma Abdominal Cerrado Estable, en un Departamento de Urgencias en Colombia

El impacto que ha generado el trauma en Colombia a lo largo de la historia, nos ha obligado a mejorar y adaptar diferentes tipos de sistemas de atención en trauma, basados en los lineamientos internacionales, los cuales buscan evitar el significativo aumento en las tasas de mortalidad y discapacidad que se obtienen de este, especialmente en los servicios de Emergencias en los cuales se reciben el 100% de estos pacientes con traumatismo múltiple o politraumatismo. Dentro de este grupo de pacientes hay un subgrupo que son las pacientes con trauma de abdomen que cursan con estabilidad hemodinámica y además son clasificados de bajo riesgo, ya sea por índices de trauma o por otros métodos como la medición sérica de lactato, los cuales tienen un papel poco despreciable al momento de ver mortalidad y discapacidad por trauma, ya sea penetrante o cerrado; en este trabajo específicamente nos centramos en las personas que consultan al servicio de Emergencias con trauma cerrado de abdomen los cuales son considerados de bajo riesgo, siendo este subgrupo de pacientes uno de los más difíciles de abordar y enfocar al momento de la valoración inicial, ya que se debe tener la seguridad de que no hay lesiones que comprometen la vida y por consiguiente estos pacientes puedan ser dados de alta.

Anisotropic seismic tomography with the reversible jump Markov chain Monte Carlo

The established isotropic tomographic models show the features of subduction zones in terms of seismic velocity anomalies, but they are generally subjected to the generation of artifacts due to the lack of anisotropy in forward modelling. There is evidence for the significant influence of seismic anisotropy in the mid-upper mantle, especially for boundary layers like subducting slabs. As consequence, in isotropic models artifacts may be misinterpreted as compositional or thermal heterogeneities. In this thesis project the application of a trans-dimensional Metropolis-Hastings method is investigated in the context of anisotropic seismic tomography. This choice arises as a response to the important limitations introduced by traditional inversion methods which use iterative procedures of optimization of a function object of the inversion. On the basis of a first implementation of the Bayesian sampling algorithm, the code is tested with some cartesian two-dimensional models, and then extended to polar coordinates and dimensions typical of subduction zones, the main focus proposed for this method. Synthetic experiments with increasing complexity are realized to test the performance of the method and the precautions for multiple contexts, taking into account also the possibility to apply seismic ray-tracing iteratively. The code developed is tested mainly for 2D inversions, future extensions will allow the anisotropic inversion of seismological data to provide more realistic imaging of real subduction zones, less subjected to generation of artifacts.