OPTiSPIM: integrating optical projection tomography in light sheet microscopy extends specimen characterization to nonfluorescent contrasts.

Mesoscopic 3D imaging has become a widely used optical imaging technique to visualize intact biological specimens. Selective plane illumination microscopy (SPIM) visualizes samples up to a centimeter in size with micrometer resolution by 3D data stitching but is limited to fluorescent contrast. Optical projection tomography (OPT) works with fluorescent and nonfluorescent contrasts, but its resolution is limited in large samples. We present a hybrid setup (OPTiSPIM) combining the advantages of each technique. The combination of fluorescent and nonfluorescent high-resolution 3D data into integrated datasets enables a more extensive representation of mesoscopic biological samples. The modular concept of the OPTiSPIM facilitates incorporation of the transmission OPT modality into already established light sheet based imaging setups.

Transconvolution and the virtual positron emission tomograph--a new method for cross calibration in quantitative PET∕CT imaging

PURPOSE Positron emission tomography (PET)∕computed tomography (CT) measurements on small lesions are impaired by the partial volume effect, which is intrinsically tied to the point spread function of the actual imaging system, including the reconstruction algorithms. The variability resulting from different point spread functions hinders the assessment of quantitative measurements in clinical routine and especially degrades comparability within multicenter trials. To improve quantitative comparability there is a need for methods to match different PET∕CT systems through elimination of this systemic variability. Consequently, a new method was developed and tested that transforms the image of an object as produced by one tomograph to another image of the same object as it would have been seen by a different tomograph. The proposed new method, termed Transconvolution, compensates for differing imaging properties of different tomographs and particularly aims at quantitative comparability of PET∕CT in the context of multicenter trials. METHODS To solve the problem of image normalization, the theory of Transconvolution was mathematically established together with new methods to handle point spread functions of different PET∕CT systems. Knowing the point spread functions of two different imaging systems allows determining a Transconvolution function to convert one image into the other. This function is calculated by convolving one point spread function with the inverse of the other point spread function which, when adhering to certain boundary conditions such as the use of linear acquisition and image reconstruction methods, is a numerically accessible operation. For reliable measurement of such point spread functions characterizing different PET∕CT systems, a dedicated solid-state phantom incorporating (68)Ge∕(68)Ga filled spheres was developed. To iteratively determine and represent such point spread functions, exponential density functions in combination with a Gaussian distribution were introduced. Furthermore, simulation of a virtual PET system provided a standard imaging system with clearly defined properties to which the real PET systems were to be matched. A Hann window served as the modulation transfer function for the virtual PET. The Hann's apodization properties suppressed high spatial frequencies above a certain critical frequency, thereby fulfilling the above-mentioned boundary conditions. The determined point spread functions were subsequently used by the novel Transconvolution algorithm to match different PET∕CT systems onto the virtual PET system. Finally, the theoretically elaborated Transconvolution method was validated transforming phantom images acquired on two different PET systems to nearly identical data sets, as they would be imaged by the virtual PET system. RESULTS The proposed Transconvolution method matched different PET∕CT-systems for an improved and reproducible determination of a normalized activity concentration. The highest difference in measured activity concentration between the two different PET systems of 18.2% was found in spheres of 2 ml volume. Transconvolution reduced this difference down to 1.6%. In addition to reestablishing comparability the new method with its parameterization of point spread functions allowed a full characterization of imaging properties of the examined tomographs. CONCLUSIONS By matching different tomographs to a virtual standardized imaging system, Transconvolution opens a new comprehensive method for cross calibration in quantitative PET imaging. The use of a virtual PET system restores comparability between data sets from different PET systems by exerting a common, reproducible, and defined partial volume effect.

Quantification of the spatiotemporal microstructural organization of the human brain association, projection and commissural pathways across the lifespan using diffusion tensor tractography.

Using diffusion tensor tractography, we quantified the microstructural changes in the association, projection, and commissural compact white matter pathways of the human brain over the lifespan in a cohort of healthy right-handed children and adults aged 6-68 years. In both males and females, the diffusion tensor radial diffusivity of the bilateral arcuate fasciculus, inferior longitudinal fasciculus, inferior fronto-occipital fasciculus, uncinate fasciculus, corticospinal, somatosensory tracts, and the corpus callosum followed a U-curve with advancing age; fractional anisotropy in the same pathways followed an inverted U-curve. Our study provides useful baseline data for the interpretation of data collected from patients.

Schmiede ─ Heiligtum ─ Wassermühle. Cham-Hagendorn (Kanton Zug) in römischer Zeit. Ausgrabungen 1944/45 und 2003/04

1944/1945 wurde in Cham-Hagendorn eine Wassermühle ausgegraben, die dank ihrer aussergewöhnlich guten Holzerhaltung seit langem einen prominenten Platz in der Forschung einnimmt. 2003 und 2004 konnte die Kantonsarchäologie Zug den Platz erneut archäologisch untersuchen. Dabei wurden nicht nur weitere Reste der Wassermühle, sondern auch Spuren älterer und jüngerer Anlagen geborgen: eine ältere und eine jüngere Schmiedewerkstatt (Horizont 1a/Horizont 3) sowie ein zweiphasiges Heiligtum (Horizonte 1a/1b). All diese Anlagen lassen sich nun in das in den neuen Grabungen erkannte stratigraphische Gerüst einhängen (s. Beil. 2). Dank der Holzerhaltung können die meisten Phasen dendrochronologisch datiert werden (s. Abb. 4.1/1a): Horizont 1a mit Schlagdaten zwischen 162(?)/173 und 200 n. Chr., Horizont 1b um 215/218 n. Chr. und Horizont 2 um 231 n. Chr. Ferner konnten in den neuen Grabungen Proben für mikromorphologische und archäobotanische Untersuchungen entnommen werden (Kap. 2.2; 3.11). In der vorliegenden Publikation werden der Befund und die Baustrukturen vorgelegt, (Kap. 2), desgleichen sämtliche stratifizierten Funde und eine umfassende Auswahl der 1944/1945 geborgenen Funde (Kap. 3). Dank anpassender Fragmente, sog. Passscherben, lassen sich diese zum Teil nachträglich in die Schichtenabfolge einbinden. Die mikromorphologischen und die archäobotanischen Untersuchungen (Kap. 2.2; 3.11) zeigen, dass der Fundplatz in römischer Zeit inmitten einer stark vom Wald und dem Fluss Lorze geprägten Landschaft lag. In unmittelbarer Nähe können weder eine Siedlung noch einzelne Wohnbauten gelegen haben. Die demnach nur gewerblich und sakral genutzten Anlagen standen an einem Bach, der vermutlich mit jenem Bach identisch ist, der noch heute das Groppenmoos entwässert und bei Cham-Hagendorn in die Lorze mündet (s. Abb. 2.4/1). Der antike Bach führte wiederholt Hochwasser ─ insgesamt sind fünf grössere Überschwemmungsphasen auszumachen (Kap. 2.2; 2.4). Wohl anlässlich eines Seehochstandes durch ein Überschwappen der Lorze in den Bach ausgelöst, müssen diese Überschwemmungen eine enorme Gewalt entwickelt haben, der die einzelnen Anlagen zum Opfer fielen. Wie die Untersuchung der Siedlungslandschaft römischer Zeit rund um den Zugersee wahrscheinlich macht (Kap. 6 mit Abb. 6.2/2), dürften die Anlagen von Cham-Hagendorn zu einer in Cham-Heiligkreuz vermuteten Villa gehören, einem von fünf grösseren Landgütern in diesem Gebiet. Hinweise auf Vorgängeranlagen fehlen, mit denen die vereinzelten Funde des 1. Jh. n. Chr. (Kap. 4.5) in Verbindung gebracht werden könnten. Diese dürften eher von einer der Überschwemmungen bachaufwärts weggerissen und nach Cham-Hagendorn eingeschwemmt worden sein. Die Nutzung des Fundplatzes (Horizont 1a; s. Beil. 6) setzte um 170 n. Chr. mit einer Schmiedewerkstatt ein (Kap. 2.5.1). Der Fundanfall, insbesondere die Schmiedeschlacken (Kap. 3.9) belegen, dass hier nur hin und wieder Geräte hergestellt und repariert wurden (Kap. 5.2). Diese Werkstatt war vermutlich schon aufgelassen und dem Verfall preisgegeben, als man 200 n. Chr. (Kap. 4.2.4) auf einer Insel zwischen dem Bach und einem Lorzearm ein Heiligtum errichtete (Kap. 5.3). Beleg für den sakralen Status dieser Insel ist in erster Linie mindestens ein eigens gepflanzter Pfirsichbaum, nachgewiesen mit Pollen, einem Holz und über 400 Pfirsichsteinen (Kap. 3.11). Die im Bach verlaufende Grenze zwischen dem sakralen Platz und der profanen Umgebung markierte man zusätzlich mit einer Pfahlreihe (Kap. 2.5.3). In diese war ein schmaler Langbau integriert (Kap. 2.5.2), der an die oft an Temenosmauern antiker Heiligtümer angebauten Portiken erinnert und wohl auch die gleiche Funktion wie diese gehabt hatte, nämlich das Aufbewahren von Weihegaben und Kultgerät (Kap. 5.3). Das reiche Fundmaterial, das sich in den Schichten der ersten Überschwemmung fand (s. Abb. 5./5), die um 205/210 n. Chr. dieses Heiligtum zerstört hatte, insbesondere die zahlreiche Keramik (Kap. 3.2.4), und die zum Teil auffallend wertvollen Kleinfunde (Kap. 3.3.3), dürften zum grössten Teil einst in diesem Langbau untergebracht gewesen sein. Ein als Glockenklöppel interpretiertes, stratifiziertes Objekt spricht dafür, dass die fünf grossen, 1944/1945 als Stapel aufgefundenen Eisenglocken vielleicht auch dem Heiligtum zuzuweisen sind (Kap. 3.4). In diesen Kontext passen zudem die überdurchschnittlich häufig kalzinierten Tierknochen (Kap. 3.10). Nach der Überschwemmung befestigte man für 215 n. Chr. (Kap. 4.2.4) das unterspülte Bachufer mit einer Uferverbauung (Kap. 2.6.1). Mit dem Bau eines weiteren, im Bach stehenden Langbaus (Kap. 2.6.2) stellte man 218 n. Chr. das Heiligtum auf der Insel in ähnlicher Form wieder her (Horizont 1b; s. Beil. 7). Von der Pfahlreihe, die wiederum die sakrale Insel von der profanen Umgebung abgrenzte, blieben indes nur wenige Pfähle erhalten. Dennoch ist der sakrale Charakter der Anlage gesichert. Ausser dem immer noch blühenden Pfirsichbaum ist es ein vor dem Langbau aufgestelltes Ensemble von mindestens 23 Terrakottafigurinen (s. Abb. 3.6/1), elf Veneres, zehn Matres, einem Jugendlichen in Kapuzenmantel und einem kindlichen Risus (Kap. 3.6; s. auch Kap. 2.6.3). In den Sedimenten der zweiten Überschwemmung, der diese Anlage um 225/230 n. Chr. zum Opfer gefallen war, fanden sich wiederum zahlreiche Keramikgefässe (Kap. 3.2.4) und zum Teil wertvolle Kleinfunde wie eine Glasperle mit Goldfolie (Kap. 3.8.2) und eine Fibel aus Silber (Kap. 3.3.3), die wohl ursprünglich im Langbau untergebracht waren (Kap. 5.3.2 mit Abb. 5/7). Weitere Funde mit sicherem oder möglichem sakralem Charakter finden sich unter den 1944/1945 geborgenen Funden (s. Abb. 5/8), etwa ein silberner Fingerring mit Merkurinschrift, ein silberner Lunula-Anhänger, eine silberne Kasserolle (Kap. 3.3.3), eine Glasflasche mit Schlangenfadenauflage (Kap. 3.8.2) und einige Bergkristalle (Kap. 3.8.4). Im Bereich der Terrakotten kamen ferner mehrere Münzen (Kap. 3.7) zum Vorschein, die vielleicht dort niedergelegt worden waren. Nach der zweiten Überschwemmung errichtete man um 231 n. Chr. am Bach eine Wassermühle (Horizont 2; Kap. 2.7; Beil. 8; Abb. 2.7/49). Ob das Heiligtum auf der Insel wieder aufgebaut oder aufgelassen wurde, muss mangels Hinweisen offen bleiben. Für den abgehobenen Zuflusskanal der Wassermühle verwendete man mehrere stehen gebliebene Pfähle der vorangegangenen Anlagen der Horizonte 1a und 1b. Obwohl die Wassermühle den 28 jährlichen Überschwemmungshorizonten (Kap. 2.2) und den Funden (Kap. 4.3.2; 4.4.4; 45) zufolge nur bis um 260 n. Chr., während gut einer Generation, bestand, musste sie mindestens zweimal erneuert werden – nachgewiesen sind drei Wasserräder, drei Mühlsteinpaare und vermutlich drei Podeste, auf denen jeweils das Mahlwerk ruhte. Grund für diese Umbauten war wohl der weiche, instabile Untergrund, der zu Verschiebungen geführt hatte, so dass das Zusammenspiel von Wellbaum bzw. Sternnabe und Übersetzungsrad nicht mehr funktionierte und das ganze System zerbrach. Die Analyse von Pollen aus dem Gehhorizont hat als Mahlgut Getreide vom Weizentyp nachgewiesen (Kap. 3.11.4). Das Abzeichen eines Benefiziariers (Kap. 3.3.2 mit Abb. 3.3/23,B71) könnte dafür sprechen, dass das verarbeitete Getreide zumindest zum Teil für das römische Militär bestimmt war (s. auch Kap. 6.2.3). Ein im Horizont 2 gefundener Schreibgriffel und weitere stili sowie eine Waage für das Wägen bis zu 35-40 kg schweren Waren aus dem Fundbestand von 1944/1945 könnten davon zeugen, dass das Getreide zu wägen und zu registrieren war (Kap. 3.4.2). Kurz nach 260 n. Chr. fiel die Wassermühle einem weiteren Hochwasser zum Opfer. Für den folgenden Horizont 3 (Beil. 9) brachte man einen Kiesboden ein und errichtete ein kleines Gebäude (Kap. 2.8). Hier war wohl wiederum eine Schmiede untergebracht, wie die zahlreichen Kalottenschlacken belegen (Kap. 3.9), die im Umfeld der kleinen Baus zum Vorschein kamen. Aufgrund der Funde (Kap. 4.4.4; 4.5) kann diese Werkstatt nur kurze Zeit bestanden haben, höchstens bis um 270 n. Chr., bevor sie einem weiteren Hochwasser zum Opfer fiel. Von der jüngsten Anlage, die wohl noch in römische Zeit datiert (Horizont 4; Beil. 10), war lediglich eine Konstruktion aus grossen Steinplatten zu fassen (Kap. 2.9.1). Wozu sie diente, muss offen bleiben. Auch der geringe Fundanfall spricht dafür, dass die Nutzung des Platzes, zumindest für die römische Zeit, allmählich ein Ende fand (Kap. 4.5). Zu den jüngsten Strukturen gehören mehrere Gruben (Kap. 2.9.2), die vielleicht der Lehmentnahme dienten. Mangels Funden bleibt ihre Datierung indes ungewiss. Insbesondere wissen wir nicht, ob sie noch in römische Zeit datieren oder jünger sind. Spätestens mit der fünften Überschwemmung, die zur endgültigen Verlandung führte und wohl schon in die frühe Neuzeit zu setzen ist, wurde der Platz aufgelassen und erst mit dem Bau der bestehenden Fensterfabrik Baumgartner wieder besetzt.

Local Stereology of Tensors of Convex Bodies

In this paper, we present local stereological estimators of Minkowski tensors defined on convex bodies in ℝ d . Special cases cover a number of well-known local stereological estimators of volume and surface area in ℝ3, but the general set-up also provides new local stereological estimators of various types of centres of gravity and tensors of rank two. Rank two tensors can be represented as ellipsoids and contain information about shape and orientation. The performance of some of the estimators of centres of gravity and volume tensors of rank two is investigated by simulation.

Applications of random set theory in econometrics

In recent years, the econometrics literature has shown a growing interest in the study of partially identified models, in which the object of economic and statistical interest is a set rather than a point. The characterization of this set and the development of consistent estimators and inference procedures for it with desirable properties are the main goals of partial identification analysis. This review introduces the fundamental tools of the theory of random sets, which brings together elements of topology, convex geometry, and probability theory to develop a coherent mathematical framework to analyze random elements whose realizations are sets. It then elucidates how these tools have been fruitfully applied in econometrics to reach the goals of partial identification analysis.

Reducing CT radiation dose with iterative reconstruction algorithms: the influence of scan and reconstruction parameters on image quality and CTDIvol

OBJECTIVES In this phantom CT study, we investigated whether images reconstructed using filtered back projection (FBP) and iterative reconstruction (IR) with reduced tube voltage and current have equivalent quality. We evaluated the effects of different acquisition and reconstruction parameter settings on image quality and radiation doses. Additionally, patient CT studies were evaluated to confirm our phantom results. METHODS Helical and axial 256 multi-slice computed tomography scans of the phantom (Catphan(®)) were performed with varying tube voltages (80-140kV) and currents (30-200mAs). 198 phantom data sets were reconstructed applying FBP and IR with increasing iterations, and soft and sharp kernels. Further, 25 chest and abdomen CT scans, performed with high and low exposure per patient, were reconstructed with IR and FBP. Two independent observers evaluated image quality and radiation doses of both phantom and patient scans. RESULTS In phantom scans, noise reduction was significantly improved using IR with increasing iterations, independent from tissue, scan-mode, tube-voltage, current, and kernel. IR did not affect high-contrast resolution. Low-contrast resolution was also not negatively affected, but improved in scans with doses <5mGy, although object detectability generally decreased with the lowering of exposure. At comparable image quality levels, CTDIvol was reduced by 26-50% using IR. In patients, applying IR vs. FBP resulted in good to excellent image quality, while tube voltage and current settings could be significantly decreased. CONCLUSIONS Our phantom experiments demonstrate that image quality levels of FBP reconstructions can also be achieved at lower tube voltages and tube currents when applying IR. Our findings could be confirmed in patients revealing the potential of IR to significantly reduce CT radiation doses.

Feasible Dose Reduction in Routine Chest Computed Tomography Maintaining Constant Image Quality Using the Last Three Scanner Generations: From Filtered Back Projection to Sinogram-affirmed Iterative Reconstruction and Impact of the Novel Fully Integrated Detector Design Minimizing Electronic Noise

OBJECTIVE The aim of the present study was to evaluate a dose reduction in contrast-enhanced chest computed tomography (CT) by comparing the three latest generations of Siemens CT scanners used in clinical practice. We analyzed the amount of radiation used with filtered back projection (FBP) and an iterative reconstruction (IR) algorithm to yield the same image quality. Furthermore, the influence on the radiation dose of the most recent integrated circuit detector (ICD; Stellar detector, Siemens Healthcare, Erlangen, Germany) was investigated. MATERIALS AND METHODS 136 Patients were included. Scan parameters were set to a thorax routine: SOMATOM Sensation 64 (FBP), SOMATOM Definition Flash (IR), and SOMATOM Definition Edge (ICD and IR). Tube current was set constantly to the reference level of 100 mA automated tube current modulation using reference milliamperes. Care kV was used on the Flash and Edge scanner, while tube potential was individually selected between 100 and 140 kVp by the medical technologists at the SOMATOM Sensation. Quality assessment was performed on soft-tissue kernel reconstruction. Dose was represented by the dose length product. RESULTS Dose-length product (DLP) with FBP for the average chest CT was 308 mGy*cm ± 99.6. In contrast, the DLP for the chest CT with IR algorithm was 196.8 mGy*cm ± 68.8 (P = 0.0001). Further decline in dose can be noted with IR and the ICD: DLP: 166.4 mGy*cm ± 54.5 (P = 0.033). The dose reduction compared to FBP was 36.1% with IR and 45.6% with IR/ICD. Signal-to-noise ratio (SNR) was favorable in the aorta, bone, and soft tissue for IR/ICD in combination compared to FBP (the P values ranged from 0.003 to 0.048). Overall contrast-to-noise ratio (CNR) improved with declining DLP. CONCLUSION The most recent technical developments, namely IR in combination with integrated circuit detectors, can significantly lower radiation dose in chest CT examinations.

A Convex Solution to Disparity Estimation from Light Fields via the Primal-Dual Method

We present a novel approach to the reconstruction of depth from light field data. Our method uses dictionary representations and group sparsity constraints to derive a convex formulation. Although our solution results in an increase of the problem dimensionality, we keep numerical complexity at bay by restricting the space of solutions and by exploiting an efficient Primal-Dual formulation. Comparisons with state of the art techniques, on both synthetic and real data, show promising performances.

Automated 3D Lumbar Intervertebral Disc Segmentation from MRI Data Sets

This paper proposed an automated 3D lumbar intervertebral disc (IVD) segmentation strategy from MRI data. Starting from two user supplied landmarks, the geometrical parameters of all lumbar vertebral bodies and intervertebral discs are automatically extracted from a mid-sagittal slice using a graphical model based approach. After that, a three-dimensional (3D) variable-radius soft tube model of the lumbar spine column is built to guide the 3D disc segmentation. The disc segmentation is achieved as a multi-kernel diffeomorphic registration between a 3D template of the disc and the observed MRI data. Experiments on 15 patient data sets showed the robustness and the accuracy of the proposed algorithm.

A steerable UV laser system for the calibration of liquid argon time projection chambers

A number of liquid argon time projection chambers (LAr TPCs) are being built or are proposed for neutrino experiments on long- and short baseline beams. For these detectors, a distortion in the drift field due to geometrical or physics reasons can affect the reconstruction of the events. Depending on the TPC geometry and electric drift field intensity, this distortion could be of the same magnitude as the drift field itself. Recently, we presented a method to calibrate the drift field and correct for these possible distortions. While straight cosmic ray muon tracks could be used for calibration, multiple coulomb scattering and momentum uncertainties allow only a limited resolution. A UV laser instead can create straight ionization tracks in liquid argon, and allows one to map the drift field along different paths in the TPC inner volume. Here we present a UV laser feed-through design with a steerable UV mirror immersed in liquid argon that can point the laser beam at many locations through the TPC. The straight ionization paths are sensitive to drift field distortions, a fit of these distortion to the linear optical path allows to extract the drift field, by using these laser tracks along the whole TPC volume one can obtain a 3D drift field map. The UV laser feed-through assembly is a prototype of the system that will be used for the MicroBooNE experiment at the Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL).

Von Fuzzy-Sets zu Computing-with-Words

Dieser Artikel bietet einen Überblick über die Entwicklung und Zusammenhänge der einzelnen Elemente der Fuzzy-Logik, wovon Fuzzy-Set-Theorie die Grundlage bildet. Die Grundproblematik besteht in der Handhabung von linguistischen Informationen, die häufig durch Ungenauigkeit gekennzeichnet sind. Die verschiedenen technischen Anwendungen von Fuzzy-Logik bieten eine Möglichkeit, intelligentere Computersysteme zu konstruieren, die mit unpräzisen Informationen umgehen können. Solche Systeme sind Indizien für die Entstehung einer neuen Ära des Cognitive-Computing, di in diesemArtikel ebenfalls zur Sprache kommt. Für das bessere Verständnis wird der Artikel mit einem Beispiel aus der Meteorologie (d. h. Schnee in Adelboden) begleitet.