Development of Techniques for the Automatic Extraction and Grade Detection of Glioma Tumors from Conventional Brain Magnetic Resonant Images

Cerebral glioma is the most prevalent primary brain tumor, which are classified broadly into low and high grades according to the degree of malignancy. High grade gliomas are highly malignant which possess a poor prognosis, and the patients survive less than eighteen months after diagnosis. Low grade gliomas are slow growing, least malignant and has better response to therapy. To date, histological grading is used as the standard technique for diagnosis, treatment planning and survival prediction. The main objective of this thesis is to propose novel methods for automatic extraction of low and high grade glioma and other brain tissues, grade detection techniques for glioma using conventional magnetic resonance imaging (MRI) modalities and 3D modelling of glioma from segmented tumor slices in order to assess the growth rate of tumors. Two new methods are developed for extracting tumor regions, of which the second method, named as Adaptive Gray level Algebraic set Segmentation Algorithm (AGASA) can also extract white matter and grey matter from T1 FLAIR an T2 weighted images. The methods were validated with manual Ground truth images, which showed promising results. The developed methods were compared with widely used Fuzzy c-means clustering technique and the robustness of the algorithm with respect to noise is also checked for different noise levels. Image texture can provide significant information on the (ab)normality of tissue, and this thesis expands this idea to tumour texture grading and detection. Based on the thresholds of discriminant first order and gray level cooccurrence matrix based second order statistical features three feature sets were formulated and a decision system was developed for grade detection of glioma from conventional T2 weighted MRI modality.The quantitative performance analysis using ROC curve showed 99.03% accuracy for distinguishing between advanced (aggressive) and early stage (non-aggressive) malignant glioma. The developed brain texture analysis techniques can improve the physician’s ability to detect and analyse pathologies leading to a more reliable diagnosis and treatment of disease. The segmented tumors were also used for volumetric modelling of tumors which can provide an idea of the growth rate of tumor; this can be used for assessing response to therapy and patient prognosis.

Parámetros cuantitativos de la resonancia magnética cerebral en esclerosis múltiple y su correlación con la discapacidad

A pesar del amplio uso de la resonancia magnética en la esclerosis múltiple no se ha logrado una adecuada correlación clínico-imagenológica en esta enfermedad. Objetivo: Determinar la correlación del volumen normalizado de sustancia gris y del volumen de lesiones hipointensas en T1 obtenidos a partir de la resonancia magnética cerebral con la escala de discapacidad extendida en pacientes con diagnóstico de esclerosis múltiple. Materiales y métodos: Estudio retrospectivo en pacientes con diagnóstico de esclerosis múltiple de la Fundación Cardioinfantil. Se obtuvieron los resultados de la escala de discapacidad expandida así como análisis cuantitativo de las imágenes correspondientes de resonancia magnética por medio de la herramienta SIENA. Se cuantificaron el volumen del parénquima cerebral, sustancia gris, sustancia blanca y volumen de lesiones hipointensas en T1. Posteriormente, se relacionaron estos resultados con la escala de discapacidad extendida de Kurtzke previamente obtenida. Para el análisis estadístico se emplearon el test correlación de Spearman y t de Student y Hotelling. Resultados: Se incluyeron 58 pacientes, encontrándose correlaciones estadísticamente significativas entre la escala de discapacidad extendida y volumen de parénquima cerebral, volumen de sustancia gris y volumen de lesiones hipointensas en T1; de 0.384, 0.386 y 0.39. No se encontró una relación entre el volumen de sustancia blanca y la escala de discapacidad. Conclusiones: Existe una correlación clínico-imagenológica moderada en la esclerosis múltiple. La cuantificación de los parámetros propuestos en este estudio podría ser utilizada como herramienta en el seguimiento de la enfermedad y monitorización de nuevos tratamientos.

Revisión sistemática : uso de imágenes por difusión en RMN, para predecir sobrevida en pacientes adultos con diagnostico de glioblastoma multiforme

El Glioblastoma multiforme (GBM), es el tumor cerebral más frecuente, con pronóstico grave y baja sensibilidad al tratamiento inicial. El propósito de este estudio fue evaluar si la Difusión en RM (IDRM), es un biomarcador temprano de respuesta tumoral, útil para tomar decisiones tempranas de tratamiento y para obtener información pronostica. Metodología La búsqueda se realizo en las bases de datos EMBASE, CENTRAL, MEDLINE; las bibliografías también fueron revisadas. Los artículos seleccionados fueron estudios observacionales (casos y controles, cohortes, corte transversal), no se encontró ningún ensayo clínico; todos los participante tenían diagnostico histopatológico de GBM, sometidos a resección quirúrgica y/o radio-quimioterapia y seguimiento de respuesta al tratamiento con IDRM por al menos 6 meses. Los datos extraídos de forma independiente fueron tipo de estudio, participantes, intervenciones, seguimiento, desenlaces (sobrevida, progresión/estabilización de la enfermedad, muerte) Resultados Quince estudios cumplieron los criterios de inclusión. Entre las técnicas empleadas de IDRM para evaluar respuesta radiológica al tratamiento, fueron histogramas del coeficiente aparente de difusion ADC (compararon valores inferiores a la media y el percentil 10 de ADC, con los valores superiores); encontrando en términos generales que un ADC bajo es un fuerte predictor de sobrevida y/o progresión del tumor. (Esto fue significativo en 5 estudios); mapas funcionales de difusion (FDM) (midieron el porcentaje de cambio de ADC basal vs pos tratamiento) que mostro ser un fuerte predictor de sobrevida en pacientes con progresión tumoral. DISCUSION Desafortunadamente la calidad de los estudios fue intermedia-baja lo que hace que la aplicabilidad de los estudios sea limitada.

Efectos del consumo de cigarrillo en la presentación y severidad de la dismenorrea

Introducción: La dismenorrea se presenta como una patología cada vez más frecuente en mujeres de 16-30 años. Dentro de los factores asociados a su presentación, el consumo de tabaco ha revelado resultados contradictorios. El objetivo del presente estudio es explorar la asociación entre el consumo de cigarrillo y la presentación de dismenorrea, y determinar si los trastornos del ánimo y la depresión, alteran dicha asociación. Materiales y métodos: Se realizó un estudio de prevalencia analítica en mujeres de la Universidad del Rosario matriculadas en pregrado durante el primer semestre de 2013, para determinar la asociación entre el consumo de tabaco y la presentación de dismenorrea. En el estudio se tuvieron en cuenta variables tradicionalmente relacionadas con dismenorrea, incluyendo las variables ansiedad y depresión como potenciales variables de confusión. Los registros fueron analizados en el programa Estadístico IBM SPSS Statistics Versión 20.0. Resultados: Se realizaron 538 cuestionarios en total. La edad promedio fue 19.92±2.0 años. La prevalencia de dismenorrea se estimó en 89.3%, la prevalencia de tabaquismo 11.7%. No se encontró una asociación entre dismenorrea y tabaquismo (OR 3.197; IC95% 0.694-14.724). Dentro de las variables analizadas, la depresión y la ansiedad constituyen factores de riesgo independientes para la presentación de dismenorrea con una asociación estadísticamente significativa p=0.026 y p=0.024 respectivamente. El análisis multivariado encuentra como factor determinante en la presentación de dismenorrea, la interacción de depresión y ansiedad controlando por las variables tradicionales p<0.0001. Sin embargo, esta asociación se pierde cuando se analiza en la categoría de dismenorrea severa y gana relevancia el uso de métodos de anticoncepción diferentes a los hormonales, mientras que el hecho de haber iniciado la vida sexual presenta una tendencia limítrofe de riesgo. Conclusiones: No se puede demostrar que el tabaco es un factor asociado a la presentación de dismenorrea. Los trastornos del ánimo y la ansiedad constituyen factores determinantes a la presentación de dismenorrea independientemente de la presencia de otros concomitantes. Las variables de asociación se modifican cuando la variable dependiente se categoriza en su estado más severo. Se necesitan estudios más amplios y detallados para establecer dicha asociación.

Utilidad de la resonancia magnética en el diagnóstico de apendicitis aguda

Comparar el resultado de la resonancia magnética en el diagnóstico de apendicitis aguda con el patrón de oro (estudio histopatológico o seguimiento clínico del paciente) con el fin de establecer la utilidad de ésta como prueba diagnóstica y poder incluirla dentro del algoritmo de estudio de esta patología cuando hay sospecha clínica y un resultado negativo o dudoso de la ecografía abdominal

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).

Caracterización de las variantes anatómicas de las venas pulmonares en pacientes candidatos a aislamiento de venas pulmonares en Colombia

Introducción y objetivos: El conocimiento de la anatomía de las venas pulmonares y de la aurícula izquierda es fundamental para la planeación y prevención de posibles complicaciones durante la ablación de las venas pulmonares, procedimiento realizado para el manejo de la fibrilación auricular. Este estudio pretende caracterizar la anatomía (tamaño y forma) de las venas pulmonares y determinar las variantes anatómicas más comunes de las mismas. Métodos: Se analizaron 277 estudios de angioresonancia tridimensional y tomografía computarizada realizados previo al procedimiento de aislamiento de venas pulmonares. Se evaluaron los diámetros de la aurícula izquierda, de los ostia de las venas pulmonares y se determinaron la presencia de venas pulmonares comunes, accesorias y ramificaciones tempranas. Resultados: 75% de nuestros pacientes presentaron la anatomía normal de dos venas pulmonares derechas y dos izquierdas. En un 10,1% de los casos se encontraron venas supernumerarias y en un 11,2% se encontró un tronco común. En un 61% de los pacientes se encontraron ramas ostiales, las cuales en un 39,4% de los casos se presentaron en la vena pulmonar inferior derecha. Conclusiones: La evaluación de la morfología de la aurícula derecha y las venas pulmonares por medio de angioresonancia o tomografía computarizada, es necesaria para la realización de ablación por radiofrecuencia dada la alta frecuencia de variantes anatómicas y presencia de ramas ostiales.

Resonancia magnética cardiaca: medidas lineales y volumétricas en adultos sanos

Introducción: La gran mayoría de las medidas de normalidad utilizadas para la interpretación de resonancia cardiaca son extrapoladas de las medidas de ecocardiografía. Los limitados registros de medidas de normalidad se encuentran ajustados en poblaciones extranjeras, no hay registros en latinoamericanos. Objetivo: Determinar las dimensiones cardiacas utilizando resonancia magnética en una población de personas sin antecedente médicos con repercusión cardiaca para lograr una muestra de valores que permitan ajustar las medidas de normalidad utilizadas por nuestro servicio. Materiales y métodos: se analizaron 45 sujetos sanos con edad comprendida entre los 21 y 45 años, las adquisiciones se realizaron utilizando un equipo de RM de 1,5 teslas, el análisis de las imágenes se realizó mediante el programa Cardiac Volume Vx. Se evaluaron múltiples parámetros morfofuncionales a través de análisis estadístico por medio del sistema SPSS versión 23. Resultados: Mediciones obtenidas de ventrículo izquierdo principales fueron volumen diastólico en mujeres de 62 ml +/- 7.1 y en hombres de 65 ml +/- 11.2 y fracción de eyección de 60 % +/- 5 en mujeres y de 62 % +/- 9 en hombres. En ventrículo derecho el volumen diastólico final se encontró 81.8 ml +/- 14.6 en mujeres y 100 ml +/- 24.8 en hombres y fracción de eyección de 53 % +/- 17 en mujeres y de 45 % +/- 12 en hombres. Volumen de fin de diástole de 50 +/- 12.7 ml en mujeres y de 49 ml +/- 19 ml en hombres y fracción de eyección de aurícula izquierda de 55 % +/- 0.08 en mujeres y de 50 % +/- 0.07 en hombres. Volumen de fin de diástole de 44.1 ml +/- 18.5 en mujeres y de 49.2 ml +/- 22.9 en hombres y fracción de eyección de aurícula derecha de 50 % +/- 11 en mujeres y de 45 % +/- 8 en hombres. Se obtuvieron otras medidas lineales y volumétricas adicionales de cavidades cardiacas y de grandes vasos supracardiacos. Conclusiones: se describen los valores de referencia de los parámetros morfofuncionales de las cavidades cardiacas y de vasos supracardiacos. El sexo fue tenido en cuenta como covariable relacionada con la modificación de los parámetros evaluados. Se sugieren variaciones en las medidas de cavidades cardiacas para la población estudiada relacionada con aclimatación crónica a la altitud de la ciudad de Bogotá.

Trauma craneoencefálico severo en la UCIP del Hospital de la Misericordia, 2010-2013

El Trauma Craneoencefálico (TCE) infantil constituye un motivo frecuente de consulta en Urgencias y supone la primera causa de muerte en niños, llegando a ser hasta del 50% en trauma severo. En Colombia se conocen cifras de TCE por algunos estudios descriptivos, pero no existen reportes en Bogotá ni específicamente en TCE severo. Objetivo: Caracterizar el trauma craneoencefálico severo pediátrico en la Unidad de Cuidado intensivo del Hospital de la Misericordia entre los años 2010 y 2013. Materiales y métodos: Un estudio descriptivo retrospectivo fue realizado en el Hospital de la Misericordia mediante revisión de las historias clínicas de los pacientes que ingresaron a la Unidad de Cuidado Intensivo pediátrico con diagnóstico de trauma craneoencefálico severo entre el año 2010 al 2013. Resultados: Se incluyeron 63 pacientes (71,4% hombres) con una edad mediana de 4 años (RIQ 2-8). La mayoría de los traumas fueron originados por caída o accidente de tránsito (79,4%). La principal lesión fue fractura de cráneo (79%). Casi la mitad de los pacientes sufrieron algún tipo de secuela neurológica al egreso (47,1%). La mayoría de los pacientes que murieron (19%) sufrieron choque hipovolémico (83,3%) y presentaron trauma asociado (66,7%). Conclusión: Las características y epidemiología del trauma craneoencefálico en nuestra población muestran claras similitudes con lo reportados en otras series de la literatura mundial y de Colombia, excepto por la mortalidad, que se esperaba más alta al estudiar solo pacientes con TCE severo.

Extended magnetic reconnection across the dayside magnetopause

The extent of where magnetic reconnection (MR), the dominant process responsible for energy and plasma transport into the magnetosphere, operates across Earth’s dayside magnetopause has previously been only indirectly shown by observations. We report the first direct evidence of X-line structure resulting from the operation of MR at each of two widely separated locations along the tilted, subsolar line of maximum current on Earth’s magnetopause, confirming the operation of MR at two or more sites across the extended region where MR is expected to occur. The evidence results from in-situ observations of the associated ion and electron plasma distributions, present within each magnetic X-line structure, taken by two spacecraft passing through the active MR regions simultaneously.

Determination of Very Slow Diffusion of Paramagnetic Ions by NMR Spectroscopy

In this paper, we propose a new method of measuring the very slow paramagnetic ion diffusion coefficient using a commercial high-resolution spectrometer. If there are distinct paramagnetic ions influencing the hydrogen nuclear magnetic relaxation time differently, their diffusion coefficients can be measured separately. A cylindrical phantom filled with Fricke xylenol gel solution and irradiated with gamma rays was used to validate the method. The Fricke xylenol gel solution was prepared with 270 Bloom porcine gelatin, the phantom was irradiated with gamma rays originated from a (60)Co source and a high-resolution 200 MHz nuclear magnetic resonance (NMR) spectrometer was used to obtain the phantom (1)H profile in the presence of a linear magnetic field gradient. By observing the temporal evolution of the phantom NMR profile, an apparent ferric ion diffusion coefficient of 0.50 mu m(2)/ms due to ferric ions diffusion was obtained. In any medical process where the ionizing radiation is used, the dose planning and the dose delivery are the key elements for the patient safety and success of treatment. These points become even more important in modern conformal radio therapy techniques, such as stereotactic radiosurgery, where the delivered dose in a single session of treatment can be an order of magnitude higher than the regular doses of radiotherapy. Several methods have been proposed to obtain the three-dimensional (3-D) dose distribution. Recently, we proposed an alternative method for the 3-D radiation dose mapping, where the ionizing radiation modifies the local relative concentration of Fe(2+)/Fe(3+) in a phantom containing Fricke gel and this variation is associated to the MR image intensity. The smearing of the intensity gradient is proportional to the diffusion coefficient of the Fe(3+) and Fe(2+) in the phantom. There are several methods for measurement of the ionic diffusion using NMR, however, they are applicable when the diffusion is not very slow.

Structural role of fluoride in the ion-conducting glass system B(2)O(3)-PbO-LiF studied by single- and double-resonance NMR

The local structure of an ion-conducting glass with nominal composition 50B(2)O(3)-10PbO-40LiF has been investigated by complementary (7)Li, (11)B, (19)F, and (207)Pb single- and double-resonance experiments. The results give insight into the structural role of the lithium fluoride additive in borate glasses: (1) LiF is seen to actively participate in the network transformation process contributing to the conversion of three- into four-coordinate boron units, as shown by (11)B single-resonance as well as by (11)B{(19)F} and (19)F{(11)B} double-resonance experiments. (2) (19)F signal quantification experiments suggest substantial fluoride loss, presumably caused by formation of volatile BF(3). A part of the fluoride remains in the dopant role, possibly in the form of small LiF-like cluster domains, which serve as a mobile ion supply. (3) The extent of lithium-fluorine and lead-fluorine interactions has been characterized by (7)Li{(19)F} and (207)Pb{(19)F} REDOR and SEDOR experiments. On the basis of these results, a quantitative structural description of this system has been developed.

Evidence for magnetic phase separation in La(0.86)Sr(0.14)Mn(1-x)Cu(x)O(3+delta) manganites from NMR and magnetic measurements

Polycrystalline La(0.86)Sr(0.14)Mn(1-x)Cu(x)O(3+delta) (x = 0, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20) manganites were investigated by means of magnetic measurements and zero-field (139)La and (55)Mn nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. Magnetization versus temperature measurements revealed a paramagnetic to ferromagnetic transition in most samples, with lower Curie temperatures and broader transitions for samples with higher Cu contents. The details of the magnetization measurements suggested a phase-separated scenario, with ferromagnetic clusters embedded in an antiferromagnetic matrix, especially for the samples with large Cu contents (x = 0.15 and 0.20). Zero-field (139)La NMR measurements confirmed this finding, since the spectral features remained almost unchanged for all Cu-doped samples, whereas the bulk magnetization was drastically reduced with increasing Cu content. (55)Mn NMR spectra were again typical of ferromagnetic regions, with a broadening of the resonance line caused by the disorder introduced by the Cu doping. The results indicate a coexistence of different magnetic phases in the manganites studied, with the addition of Cu contributing to the weakening of the double-exchange interaction in most parts of the material.

Conformational Properties of Angiotensin II and Its Active and Inactive TOAC-Labeled Analogs in the Presence of Micelles. Electron Paramagnetic Resonance, Fluorescence, and Circular Dichroism Studies

The interaction between angiotensin II (AII, DRVYIHPF) and its analogs carrying 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl-4-amino-4-carboxylic acid (TOAC) and detergents-negatively charged sodium dodecyl sulfate (SDS) and zwitterionic N-hexadecyl-N,N-dimethyl-3-ammonio-1-propanesulfonate (HPS)-was examined by means of EPR, CD, and fluorescence. EPR spectra of partially active TOAC(1)-AII and inactive TOAC(3)-AII in aqueous solution indicated fast tumbling, the freedom of motion being greater at the N-terminus. Line broadening occurred upon interaction with micelles. Below SDS critical micelle concentration, broader lines indicated complex formation with tighter molecular packing than in micelles. Small changes in hyperfine splittings evinced TOAC location at the micelle-water interface. The interaction with anionic micelles was more effective than with zwitterionic micelles. Peptide-micelle interaction caused fluorescence increase. The TOAC-promoted intramolecular fluorescence quenching was more, pronounced for TOAC(3)-AII because of the proximity between the nitroxide and Tyr(4). CD spectra showed that although both AII and TOAC(1)-AII presented flexible conformations in water, TOAC(3)-AII displayed conformational restriction because of the TOAC-imposed bend (Schreier et al., Biopolymers 2004, 74, 389). In HPS, conformational changes were observed for the labeled peptides at neutral and basic pH. In SDS, all peptides underwent pH-dependent conformational changes. Although the spectra suggested similar folds for All and TOAC(1)-AII, different conformations were acquired by TOAC(3)-AII. The membrane environment has been hypothesized to shift conformational equilibria so as to stabilize the receptor-bound conformation of ligands. The fact that TOAC(3)-AII is unable to acquire conformations similar to those of native AII and partially active TOAC(1)-AII is probably the explanation for its lack of biological activity. (C) 2009 Wiley Periodicals, Inc. Biopolymers (Pept Sci) 92: 525-537, 2009.

Maximum-likelihood based estimation for Q-ball imaging using diffusion-weighted MRI data

Q-ball imaging has been presented to reconstruct diffusion orientation distribution function using diffusion weighted MRI. In this thesiis, we present a novel and robust approach to satisfy the smoothness constraint required in Q-ball imaging. Moreover, we developed an improved estimator based on the actual distribution of the MR data.