Suivi des vaisseaux sanguins en temps réel à partir d’images ultrasonores mode-B et reconstruction 3D : application à la caractérisation des sténoses artérielles

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain.

Simulation de radiographies à partir d'images tomodensitométriques pour l'enseignement de l'anatomie radiographique en médecine vétérinaire

L'un des principaux défis de l'interprétation radiographique réside dans la compréhension de l’anatomie radiographique, laquelle est intrinsèquement liée à la disposition tridimensionnelle des structures anatomiques et à l’impact du positionnement du tube radiogène vis-à-vis de ces structures lors de l'acquisition de l'image. Traditionnellement, des radiographies obtenues selon des projections standard sont employées pour enseigner l'anatomie radiographique en médecine vétérinaire. La tomodensitométrie − ou communément appelée CT (Computed Tomography) − partage plusieurs des caractéristiques de la radiographie en ce qui a trait à la génération des images. À l’aide d'un plug-in spécialement développé (ORS Visual ©), la matrice contenant les images CT est déformée pour reproduire les effets géométriques propres au positionnement du tube et du détecteur vis-à-vis du patient radiographié, tout particulièrement les effets de magnification et de distorsion. Afin d'évaluer le rendu des images simulées, différentes régions corporelles ont été imagées au CT chez deux chiens, un chat et un cheval, avant d'être radiographiées suivant des protocoles d'examens standards. Pour valider le potentiel éducatif des simulations, dix radiologistes certifiés ont comparé à l'aveugle neuf séries d'images radiographiques simulées aux séries radiographiques standard. Plusieurs critères ont été évalués, soient le grade de visualisation des marqueurs anatomiques, le réalisme et la qualité radiographique des images, le positionnement du patient et le potentiel éducatif de celles-ci pour différents niveaux de formation vétérinaire. Les résultats généraux indiquent que les images radiographiques simulées à partir de ce modèle sont suffisamment représentatives de la réalité pour être employées dans l’enseignement de l’anatomie radiographique en médecine vétérinaire.

Planification de traitements de curiethérapie du sein à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique

Ce mémoire présente l’étude de la faisabilité de la planification de traitements pour la curiethérapie interstitielle du sein en utilisant l’imagerie par résonance magnétique (IRM) seule au lieu de l’imagerie par tomodensitométrie (CT). L'imagerie CT étant la référence, la mesure des différences observables sur la distribution de doses provenant des deux types d’imagerie a été effectuée. Des fantômes de seins ont été fabriqués et utilisés, ainsi que l’imagerie de patients. La taille des fantômes en fonction du positionnement dans l’appareil d’IRM et la longueur reconstruite des cathéters ont été analysées. Les différences dans les distributions de doses de fantômes et de patients ont été calculées en s’assurant que la reconstruction des cathéters provenant des images CT et IRM est la seule variable. La différence dans les critères de doses à respecter est plus grande lorsque la taille du fantôme et/ou un déplacement latéral dans l’IRM sont plus grands. La longueur reconstruite des cathéters est comparable entre les deux techniques d’imagerie. Pour le petit fantôme des différences <2% ont été observées pour tous les critères de dose. Pour le grand fantôme et pour les patients, une valeur maximale de 5% est observée pour les critères sur la cible, mais peut atteindre 19% pour le critère Externe V150%/V100% pour le grand fantôme et 33% pour les patients. Par contre, le seuil clinique de ce critére est toujours respecté. Ceci nous indique que pour la plupart des patients, la zone à traiter serait bien couverte en utilisant les images IRM uniquement pour planifier.

Méthode efficace d'assignation de tissus humains par tomodensitométrie à double énergie

Pour analyser les images en tomodensitométrie, une méthode stœchiométrique est gé- néralement utilisée. Une courbe relie les unités Hounsfield d’une image à la densité électronique du milieu. La tomodensitométrie à double énergie permet d’obtenir des informations supplémentaires sur ces images. Une méthode stœchiométrique a été dé- veloppée pour permettre de déterminer les valeurs de densité électronique et de numéro atomique effectif à partir d’une paire d’images d’un tomodensitomètre à double énergie. Le but de cette recherche est de développer une nouvelle méthode d’identification de tissus en utilisant ces paramètres extraits en tomodensitométrie à double énergie. Cette nouvelle méthode est comparée avec la méthode standard de tomodensitométrie à simple énergie. Par ailleurs, l’impact dosimétrique de bien identifier un tissu est déterminé. Des simulations Monte Carlo permettent d’utiliser des fantômes numériques dont tous les paramètres sont connus. Les différents fantômes utilisés permettent d’étalonner les méthodes stœchiométriques, de comparer la polyvalence et la robustesse des méthodes d’identification de tissus double énergie et simple énergie, ainsi que de comparer les distributions de dose dans des fantômes uniformes de mêmes densités, mais de compo- sitions différentes. La méthode utilisant la tomodensitométrie à double énergie fournit des valeurs de densi- tés électroniques plus exactes, quelles que soient les conditions étudiées. Cette méthode s’avère également plus robuste aux variations de densité des tissus. L’impact dosimé- trique d’une bonne identification de tissus devient important pour des traitements aux énergies plus faibles, donc aux énergies d’imagerie et de curiethérapie.

An Improved Technique for Evolving Wavelet Coefficients for Fingerprint Image Compression

In this paper, an improved technique for evolving wavelet coefficients refined for compression and reconstruction of fingerprint images is presented. The FBI fingerprint compression standard [1, 2] uses the cdf 9/7 wavelet filter coefficients. Lifting scheme is an efficient way to represent classical wavelets with fewer filter coefficients [3, 4]. Here Genetic algorithm (GA) is used to evolve better lifting filter coefficients for cdf 9/7 wavelet to compress and reconstruct fingerprint images with better quality. Since the lifting filter coefficients are few in numbers compared to the corresponding classical wavelet filter coefficients, they are evolved at a faster rate using GA. A better reconstructed image quality in terms of Peak-Signal-to-Noise-Ratio (PSNR) is achieved with the best lifting filter coefficients evolved for a compression ratio 16:1. These evolved coefficients perform well for other compression ratios also.

¿La tomografía de codo cambia la conducta tomada previamente con radiografía en fracturas de cúpula radial? un estudio de concordancia

Las fracturas de la cúpula radial corresponden a un tercio de todas las fracturas del codo en adultos (1), por lo que se toman radiografías o tomografías, sin embargo no existe literatura que soporte la realización de la tomografía como estudio complementario, por lo que preguntamos ¿La tomografía de codo cambia la conducta tomada previamente con radiografía en fracturas de cúpula radial? Se propone un estudio de concordancia, donde se evalúan las radiografías y tomografías por parte de dos cirujanos de codo, de pacientes con diagnóstico de fractura de cúpula radial valorados en urgencias de dos hospitales de tercer nivel de Bogotá desde enero 2011 a enero 2013. Se revisaron 116 historias, 99 cumplieron los criterios, las radiografías fueron revisadas por dos ortopedistas de codo quienes realizaron clasificación de Mason obteniendo un κ 1 (p˂ 0,00), propuesta de tratamiento postradiografía κ 0,934 (p˂ 0,000 IC95% 0.85, 1). Tratamiento post-tomografía de codo κ 0.949 (p˂ 0,00 IC95% 0.867,1). Concordancia intra-ortopedista de la conducta pre y post-tomografía hay cambio en la conducta del ortopedista 1 en 32.6% (κ 0.674 p˂ 0,00 IC95% 0.52, 0.818) y del ortopedista 2 en 36% (κ 0.64 p˂ 0,00 IC95% 0.452, 0.792). Se dividieron los pacientes en Mason I, II, III con concordancia considerable en los pacientes Mason I y III, mientras que en Mason II fue una concordancia aceptable lo que significa que el uso de tomografía de codo cambia la conducta en general pero sobretodo en pacientes clasificados Masson II.

Angiorresonancia versus angiografía por sustracción digital en el seguimiento de aneurismas intracraneales embolizados. Comparación del desempeño diagnóstico

Introducción: La DSA es el método de elección para el seguimiento de pacientes con aneurismas intracraneales embolizados; esta se puede asociar a complicaciones incapacitantes o mortales. La MRA se ha propuesto como método alternativo por menor costo y menos morbi-mortalidad, aunque su desempeño diagnóstico permanece en discusión debido al desarrollo de nuevos protocolos, resonadores más potentes y nuevas aplicaciones de la DSA. Metodología: Exploramos la literatura hasta la actualidad y comparamos el desempeño diagnóstico de la MRA con la DSA para detectar flujo residual posterior a la embolización terapéutica de aneurismas intracraneales. Realizamos una revisión sistemática de la literatura y meta-análisis basados en 34 artículos detectados en la búsqueda que incluyó las bases de datos PubMed, Scopus, ScIELO y BVS. Resultados: La TOF-MRA demostró sensibilidad de 86.8% (84.3%-89.1%) y especificidad de 91.2% (89%-93.1%); la SROC para TOF-MRA demostró un AUC de 0.95. El desempeño de la CE-MRA demostró sensibilidad de 88.1% (84.6%-91.1%) y especificidad de 89.1% (85.7%-91.9%); la SROC presentó una AUC de 0.93. El análisis estratificado por potencia del resonador encontró que la TOF-MRA tiene mejor desempeño con el resonador de 3T, aunque no es estadísticamente significativo. La concordancia interobservador con TOF-MRA y CE-MRA fue moderada a muy buena. Discusión: El desempeño diagnóstico de la MRA en el seguimiento de aneurismas intracraneales embolizados demostró ser bueno, con sensibilidad mayor a 84%, siendo ligeramente mejor con TOF-MRA, sin lograr reemplazar la DSA. Sin embargo, los resultados deben ser evaluados con precaución por la heterogeneidad de los resultados de los estudios incluidos. (Abreviaturas: DSA: Angiografía por Sustracción Digital; MRA: Angiografía por Resonancia Magnética; TOF-MRA: Angiorresonancia por Tiempo de Vuelo; CE-MRA: Angiorresonancia contrastada).

Verification of computed tomographic estimates of cochlear implant array position: A micro-CT and histological analysis

We examine the efficacy two volume spatial registration of pre and postoperative clinical computed tomography (CT) imaging to verify post-operative electrode array placement in cochlear implant (CI) patients. To measure the degree of accuracy with which the composite image predicts in-vivo placement of the array, we replicate the CI surgical process in cadaver heads. Pre-operative, post-operative, micro CT imaging and histology are utilized for verification.

Fast median calculation method

The ever increasing demand for high image quality requires fast and efficient methods for noise reduction. The best-known order-statistics filter is the median filter. A method is presented to calculate the median on a set of N W-bit integers in W/B time steps. Blocks containing B-bit slices are used to find B-bits of the median; using a novel quantum-like representation allowing the median to be computed in an accelerated manner compared to the best-known method (W time steps). The general method allows a variety of designs to be synthesised systematically. A further novel architecture to calculate the median for a moving set of N integers is also discussed.

Effects of Early Functional Loading on Maintenance of Free Autogenous Bone Graft and Implant Osseointegration: An Experimental Study in Dogs

Purpose: The aim of the present study was to investigate the healing, integration, and maintenance of autogenous onlay bone grafts and implant osseointegration either loaded in the early or the delayed stages. Materials and Methods: A total of 5 male clogs received bilateral blocks of onlay bone grafts harvested from the contralateral alveolar ridge of the mandible. On one side, the bone block was secured by 3 dental implants (3.5 mm x 13.0 mm, Osseospeed; Astra Tech AB, Molndal, Sweden). Two implants at the extremities of the graft were loaded 2 clays after installation by abutment connection and prosthesis (simultaneous implant placement group); the implant in the middle remained unloaded and served as the control. On the other side, the block was fixed with 2 fixation screws inserted in the extremities of the graft. Four weeks later, the fixation screws were replaced with 3 dental implants. The loading procedure (delayed implant placement group) was performed 2 clays later, as described for the simultaneous implant placement sites. The animals were sacrificed 12 weeks after the grafting procedure. Implant stability was measured through resonance frequency analysis. The bone volume and density were assessed on computed tomography. The bone to implant contact and bone area in a region of interest were evaluated on histologic slides. Results: The implant stability quotient showed statistical significance in favor of the delayed loaded grafts (P=.001). The bone-to-implant contact (P=.008) and bone area in a region of interest (P=0.005) were significantly greater in the delayed group. Nevertheless, no difference was found in terms of graft volume and density between the early loaded and delayed-loaded approaches. Conclusions: The protocol in which the implant and bone graft were given delayed loading allows for effective quality of implant osseointegration and stabilization, with healing and remodeling occurring in areas near the implant resulting in denser bone architecture. (C) 2010 American Association of Oral and Maxillofacial Surgeons J Oral Maxillofac Sing 68:825-832, 2010

Diagnostic reference levels for the most frequent radiological examinations carried out in Brazil

Objectives. A large-scale survey of doses to patients undergoing the most frequent radiological examinations was carried out in health services in Sao Paulo (347 radiological examinations per 1 000 inhabitants), the most populous Brazilian state. Methods. A postal dosimetric kit with thermoluminescence dosimeters was used to evaluate the entrance surface dose (ESD) to patients. A stratified sampling technique applied to the national health database furnished important data on the distribution of equipment and the annual number of examinations. Chest, head (skull and sinus), and spine (cervical, thoracic, and lumbar) examinations were included in the trial. A total of 83 rooms and 868 patients were included, and 1 415 values of ESD were measured. Results. The data show large coefficients of variation in tube charge, giving rise to large variations in ESD values. Also, a series of high ESD values associated with unnecessary localizing fluoroscopy were detected. Diagnostic reference levels were determined, based on the 75th percentile (third quartile) of the ESD distributions. For adult patients, the diagnostic reference levels achieved are very similar to those obtained in international surveys. However, the situation is different for pediatric patients: the ESD values found in this survey are twice as large as the international recommendations for chest radiographs of children. Conclusions. Despite the reduced number of ESD values and rooms for the pediatric patient group, it is recommended that practices in chest examinations be revised and that specific national reference doses and image quality be established after a broader survey is carried out.

A novel MAP-MRF approach for multispectral image contextual classification using combination of suboptimal iterative algorithms

In this paper we present a novel approach for multispectral image contextual classification by combining iterative combinatorial optimization algorithms. The pixel-wise decision rule is defined using a Bayesian approach to combine two MRF models: a Gaussian Markov Random Field (GMRF) for the observations (likelihood) and a Potts model for the a priori knowledge, to regularize the solution in the presence of noisy data. Hence, the classification problem is stated according to a Maximum a Posteriori (MAP) framework. In order to approximate the MAP solution we apply several combinatorial optimization methods using multiple simultaneous initializations, making the solution less sensitive to the initial conditions and reducing both computational cost and time in comparison to Simulated Annealing, often unfeasible in many real image processing applications. Markov Random Field model parameters are estimated by Maximum Pseudo-Likelihood (MPL) approach, avoiding manual adjustments in the choice of the regularization parameters. Asymptotic evaluations assess the accuracy of the proposed parameter estimation procedure. To test and evaluate the proposed classification method, we adopt metrics for quantitative performance assessment (Cohen`s Kappa coefficient), allowing a robust and accurate statistical analysis. The obtained results clearly show that combining sub-optimal contextual algorithms significantly improves the classification performance, indicating the effectiveness of the proposed methodology. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Quantitative fractography by digital image processing: NIH Image macro tools for stereo pair analysis and 3-D reconstruction

A set of NIH Image macro programs was developed to make qualitative and quantitative analyses from digital stereo pictures produced by scanning electron microscopes. These tools were designed for image alignment, anaglyph representation, animation, reconstruction of true elevation surfaces, reconstruction of elevation profiles, true-scale elevation mapping and, for the quantitative approach, surface area and roughness calculations. Limitations on time processing, scanning techniques and programming concepts are also discussed.

Otimização de imagens mamográficas

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Potent anti-inflammatory effects of systemically administered curcumin modulate periodontal disease in vivo

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)