Mejoras en el procesamiento de imágenes de TC para el tratamiento con radioterapia adaptativa del cáncer de próstata

El cáncer de próstata es el tipo de cáncer con mayor prevalencia entre los hombres del mundo occidental y, pese a tener una alta tasa de supervivencia relativa, es la segunda mayor causa de muerte por cáncer en este sector de la población. El tratamiento de elección frente al cáncer de próstata es, en la mayoría de los casos, la radioterapia externa. Las técnicas más modernas de radioterapia externa, como la radioterapia modulada en intensidad, permiten incrementar la dosis en el tumor mientras se reduce la dosis en el tejido sano. Sin embargo, la localización del volumen objetivo varía con el día de tratamiento, y se requieren movimientos muy pequeños de los órganos para sacar partes del volumen objetivo fuera de la región terapéutica, o para introducir tejidos sanos críticos dentro. Para evitar esto se han desarrollado técnicas más avanzadas, como la radioterapia guiada por imagen, que se define por un manejo más preciso de los movimientos internos mediante una adaptación de la planificación del tratamiento basada en la información anatómica obtenida de imágenes de tomografía computarizada (TC) previas a la sesión terapéutica. Además, la radioterapia adaptativa añade la información dosimétrica de las fracciones previas a la información anatómica. Uno de los fundamentos de la radioterapia adaptativa es el registro deformable de imágenes, de gran utilidad a la hora de modelar los desplazamientos y deformaciones de los órganos internos. Sin embargo, su utilización conlleva nuevos retos científico-tecnológicos en el procesamiento de imágenes, principalmente asociados a la variabilidad de los órganos, tanto en localización como en apariencia. El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar los procesos clínicos de delineación automática de contornos y de cálculo de dosis acumulada para la planificación y monitorización de tratamientos con radioterapia adaptativa, a partir de nuevos métodos de procesamiento de imágenes de TC (1) en presencia de contrastes variables, y (2) cambios de apariencia del recto. Además, se pretende (3) proveer de herramientas para la evaluación de la calidad de los contornos obtenidos en el caso del gross tumor volumen (GTV). Las principales contribuciones de esta tesis doctoral son las siguientes: _ 1. La adaptación, implementación y evaluación de un algoritmo de registro basado en el flujo óptico de la fase de la imagen como herramienta para el cálculo de transformaciones no-rígidas en presencia de cambios de intensidad, y su aplicabilidad a tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata con uso de agentes de contraste radiológico. Los resultados demuestran que el algoritmo seleccionado presenta mejores resultados cualitativos en presencia de contraste radiológico en la vejiga, y no distorsiona la imagen forzando deformaciones poco realistas. 2. La definición, desarrollo y validación de un nuevo método de enmascaramiento de los contenidos del recto (MER), y la evaluación de su influencia en el procedimiento de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Las segmentaciones obtenidas mediante el MER para la creación de máscaras homogéneas en las imágenes de sesión permiten mejorar sensiblemente los resultados de los algoritmos de registro en la región rectal. Así, el uso de la metodología propuesta incrementa el índice de volumen solapado entre los contornos manuales y automáticos del recto hasta un valor del 89%, cercano a los resultados obtenidos usando máscaras manuales para el registro de las dos imágenes. De esta manera se pueden corregir tanto el cálculo de los nuevos contornos como el cálculo de la dosis acumulada. 3. La definición de una metodología de evaluación de la calidad de los contornos del GTV, que permite la representación de la distribución espacial del error, adaptándola a volúmenes no-convexos como el formado por la próstata y las vesículas seminales. Dicha metodología de evaluación, basada en un nuevo algoritmo de reconstrucción tridimensional y una nueva métrica de cuantificación, presenta resultados precisos con una gran resolución espacial en un tiempo despreciable frente al tiempo de registro. Esta nueva metodología puede ser una herramienta útil para la comparación de distintos algoritmos de registro deformable orientados a la radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. En conclusión, el trabajo realizado en esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas, y pretende servir como cimiento de futuros avances en el procesamiento de imagen médica en los tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Asimismo, se siguen abriendo nuevas líneas de aplicación futura de métodos de procesamiento de imágenes médicas con el fin de mejorar los procesos de radioterapia adaptativa en presencia de cambios de apariencia de los órganos, e incrementar la seguridad del paciente. I.2 Inglés Prostate cancer is the most prevalent cancer amongst men in the Western world and, despite having a relatively high survival rate, is the second leading cause of cancer death in this sector of the population. The treatment of choice against prostate cancer is, in most cases, external beam radiation therapy. The most modern techniques of external radiotherapy, as intensity modulated radiotherapy, allow increasing the dose to the tumor whilst reducing the dose to healthy tissue. However, the location of the target volume varies with the day of treatment, and very small movements of the organs are required to pull out parts of the target volume outside the therapeutic region, or to introduce critical healthy tissues inside. Advanced techniques, such as the image-guided radiotherapy (IGRT), have been developed to avoid this. IGRT is defined by more precise handling of internal movements by adapting treatment planning based on the anatomical information obtained from computed tomography (CT) images prior to the therapy session. Moreover, the adaptive radiotherapy adds dosimetric information of previous fractions to the anatomical information. One of the fundamentals of adaptive radiotherapy is deformable image registration, very useful when modeling the displacements and deformations of the internal organs. However, its use brings new scientific and technological challenges in image processing, mainly associated to the variability of the organs, both in location and appearance. The aim of this thesis is to improve clinical processes of automatic contour delineation and cumulative dose calculation for planning and monitoring of adaptive radiotherapy treatments, based on new methods of CT image processing (1) in the presence of varying contrasts, and (2) rectum appearance changes. It also aims (3) to provide tools for assessing the quality of contours obtained in the case of gross tumor volume (GTV). The main contributions of this PhD thesis are as follows: 1. The adaptation, implementation and evaluation of a registration algorithm based on the optical flow of the image phase as a tool for the calculation of non-rigid transformations in the presence of intensity changes, and its applicability to adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer with use of radiological contrast agents. The results demonstrate that the selected algorithm shows better qualitative results in the presence of radiological contrast agents in the urinary bladder, and does not distort the image forcing unrealistic deformations. 2. The definition, development and validation of a new method for masking the contents of the rectum (MER, Spanish acronym), and assessing their impact on the process of adaptive radiotherapy in prostate cancer. The segmentations obtained by the MER for the creation of homogenous masks in the session CT images can improve significantly the results of registration algorithms in the rectal region. Thus, the use of the proposed methodology increases the volume overlap index between manual and automatic contours of the rectum to a value of 89%, close to the results obtained using manual masks for both images. In this way, both the calculation of new contours and the calculation of the accumulated dose can be corrected. 3. The definition of a methodology for assessing the quality of the contours of the GTV, which allows the representation of the spatial distribution of the error, adapting it to non-convex volumes such as that formed by the prostate and seminal vesicles. Said evaluation methodology, based on a new three-dimensional reconstruction algorithm and a new quantification metric, presents accurate results with high spatial resolution in a time negligible compared to the registration time. This new approach may be a useful tool to compare different deformable registration algorithms oriented to adaptive radiotherapy in prostate cancer In conclusion, this PhD thesis corroborates the postulated research hypotheses, and is intended to serve as a foundation for future advances in medical image processing in adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer. In addition, it opens new future applications for medical image processing methods aimed at improving the adaptive radiotherapy processes in the presence of organ’s appearance changes, and increase the patient safety.

Documento marco : Jornadas sobre Formación en Informática Superior para los noventa

Los centros universitarios en general, y aquellos en los que se imparten enseñanzas de informática en particular, se enfrentan en este momento a la imperiosa obligación de renovar sus planes de estudios. Lamentablemente, la Universidad suele afrontar esta tarea en solitario, al margen, cuando no a espaldas, del entorno profesional, económico y social. Por su parte, las empresas tienden a quejarse de que los titulados universitarios reciben una preparación poco adaptada a sus necesidades, pero rara vez asumen su papel y su responsabilidad en estos temas.

Educación social e informática

La educación representa una de las más trascendentales necesidades de nuestro tiempo, con una faz diferente según los países; los países subdesarrollados no tienen más remedio que preparar a sus masas para enmarcarse en las vías del progreso, y los desarrollados o en desarrollo precisan reestructurar sus sectores productivos, con objeto de apoyar crecientemente su economía sobre una base de trabajos cualificados. En los países en desarrollo, esta necesidad aparece con un doble matiz: cualitativo, en cuanto a la forma y al contenido de la educación, que debe adaptarse a un país en evolución y cuantitativo, por el aumento de su importancia numérica. La envergadura del problema requiere soluciones de envergadura. ¿Tiene algún papel el ordenador en este planteamiento? El ordenador es una herramienta,la herramienta intelectual más poderosa que ha inventado el hombre. Cuando se padece una necesidad y se tiene una herramienta, es preciso estudiar si ésta puede ayudar de alguna manera a resolver aquélla. En esta ponencia me permito presentar algunas ideas y recomendaciones personales en torno a este problema.

Propuesta de un marco para el debate sobre la educación superior en informática en un plano de estrategia social

Este trabajo tiene por objeto plantear una base sobre la que discutir objetivos, contenidos, criterios y métodos a emplear en la. enseñanza universitaria de cualquier rama de las ciencias de la computación. La discusión que se propone se sitúa en un plano de generalidad y de estrategia social, promoviendo la participación de los sectores sociales y económicos interesados y la consideración de sus intereses.

Posibilidades del motor 3D de la Nintendo DS

La consola portátil Nintendo DS es una plataforma de desarrollo muy presente entre la comunidad de desarrolladores independientes, con una extensa y nutrida escena homebrew. Si bien las capacidades 2D de la consola están muy aprovechadas, dado que la mayor parte de los esfuerzos de los creadores amateur están enfocados en este aspecto, el motor 3D de ésta (el que se encarga de representar en pantalla modelos tridimensionales) no lo está de igual manera. Por lo tanto, en este proyecto se tiene en vista determinar las capacidades gráficas de la Nintendo DS. Para ello se ha realizado una biblioteca de funciones en C que permite aprovechar las posibilidades que ofrece la consola en el terreno 3D y que sirve como herramienta para la comunidad homebrew para crear aplicaciones 3D de forma sencilla, dado que se ha diseñado como un sistema modular y accesible. En cuanto al proceso de renderizado se han sacado varias conclusiones. En primer lugar se ha determinado la posibilidad de asignar varias componentes de color a un mismo vértice (color material reactivo a la iluminación, color por vértice directo y color de textura), tanto de forma independiente como simultáneamente, pudiéndose utilizar para aplicar diversos efectos al modelo, como iluminación pre-calculada o simulación de una textura mediante color por vértice, ahorrando en memoria de video. Por otro lado se ha implementado un sistema de renderizado multi-capa, que permite realizar varias pasadas de render, pudiendo, de esta forma, aplicar al modelo una segunda textura mezclada con la principal o realizar un efecto de reflexión esférica. Uno de los principales avances de esta herramienta con respecto a otras existentes se encuentra en el apartado de animación. El renderizador desarrollado permite por un lado animación por transformación, consistente en la animación de mallas o grupos de vértices del modelo mediante el movimiento de una articulación asociada que determina su posición y rotación en cada frame de animación. Por otro lado se ha implementado un sistema de animación por muestreo de vértices mediante el cual se determina la posición de éstos en cada instante de la animación, generando frame a frame las poses que componen el movimiento (siendo este último método necesario cuando no se puede animar una malla por transformación). Un mismo modelo puede contener diferentes esqueletos, animados independientemente entre sí, y cada uno de ellos tener definidas varias costumbres de animación que correspondan a movimientos contextuales diferentes (andar, correr, saltar, etc). Además, el sistema permite extraer cualquier articulación para asociar su transformación a un objeto estático externo y que éste siga el movimiento de la animación, pudiendo así, por ejemplo, equipar un objeto en la mano de un personaje. Finalmente se han implementado varios efectos útiles en la creación de escenas tridimensionales, como el billboarding (tanto esférico como cilíndrico), que restringe la rotación de un modelo para que éste siempre mire a cámara y así poder emular la apariencia de un objeto tridimensional mediante una imagen plana, ahorrando geometría, o emplearlo para realizar efectos de partículas. Por otra parte se ha implementado un sistema de animación de texturas por subimágenes que permite generar efectos de movimiento mediante imágenes, sin necesidad de transformar geometría. ABSTRACT. The Nintendo DS portable console has received great interest within the independent developers’ community, with a huge homebrew scene. The 2D capabilities of this console are well known and used since most efforts of the amateur creators has been focused on this point. However its 3D engine (which handles with the representation of three-dimensional models) is not equally used. Therefore, in this project the main objective is to assess the Nintendo DS graphic capabilities. For this purpose, a library of functions in C programming language has been coded. This library allows the programmer to take advantage of the possibilities that the 3D area brings. This way the library can be used by the homebrew community as a tool to create 3D applications in an easy way, since it has been designed as a modular and accessible system. Regarding the render process, some conclusions have been drawn. First, it is possible to assign several colour components to the same vertex (material colour, reactive to the illumination, colour per vertex and texture colour), independently and simultaneously. This feature can be useful to apply certain effects on the model, such as pre-calculated illumination or the simulation of a texture using colour per vertex, providing video memory saving. Moreover, a multi-layer render system has been implemented. This system allows the programmer to issue several render passes on the same model. This new feature brings the possibility to apply to the model a second texture blended with the main one or simulate a spherical reflection effect. One of the main advances of this tool over existing ones consists of its animation system. The developed renderer includes, on the one hand, transform animation, which consists on animating a mesh or groups of vertices of the model by the movement of an associated joint. This joint determines position and rotation of the mesh at each frame of the animation. On the other hand, this tool also implements an animation system by vertex sampling, where the position of vertices is determined at every instant of the animation, generating the poses that build up the movement (the latter method is mandatory when a mesh cannot be animated by transform). A model can contain multiple skeletons, animated independently, each of them being defined with several animation customs, corresponding to different contextual movements (walk, run, jump, etc). Besides, the system allows extraction of information from any joint in order to associate its transform to a static external object, which will follow the movement of the animation. This way, any object could be equipped, for example, on the hand of a character. Finally, some useful effects for the creation of three-dimensional scenes have been implemented. These effects include billboarding (both spherical and cylindrical), which constraints the rotation of a model so it always looks on the camera's direction. This feature can provide the ability to emulate the appearance of a three-dimensional model through a flat image (saving geometry). It can also be helpful in the implementation of particle effects. Moreover, a texture animation system using sub-images has also been implemented. This system allows the generation of movement by using images as textures, without having to transform geometry.

Una panorámica de tendencias, necesidades y problemas de la informática y de las tecnologías de la información

En informática, cuando hablamos de los progresos tecnológicos de una u otra forma estamos casi siempre refiriéndonos al caso verdaderamente espectacular de la tecnología microelectrónica. A este respecto, inmediatamente hacemos acopio de datos relativos a los aumentos de potencia y de fiabilidad, y a las reducciones de tamaño y precio de ciertos microcircuitos, como memorias y microprocesadores. El panorama se puede ilustrar con gráficos que reflejan el sostenido e increíble comportamiento histórico de estos parámetros y sus tendencias todavía prometedoras en un futuro próximo. Si se quiere ser un poco más técnico, es posible redondear todo lo anterior con la ley de Moore, la curva de aprendizaje de la industria de los semiconductores, la ley de Gelbach o de la lógica "gratuita", y alguna cosa más.

Modelización tridimensional de la pieza MNM-23 del Museo Naval de Madrid por métodos fotogramétricos.

En el siguiente proyecto se pretende obtener el modelo tridimensional de una pieza del Museo Naval de Madrid, el modelo MNM-23, correspondiente a una fragata de 34 cañones, de dimensiones aproximadas 110*30*39 cm, a partir de fotogrametría de objeto cercano y topografía. La pieza se encontró en un lamentable estado de conservación y en 1995 el restauradormodelista del Museo Naval de Madrid, Miguel Godoy Sánchez, hizo un gran trabajo de restauración de la misma para poder contemplar con auténtico deleite cada uno de los cientos de detalles, que por dentro tenía una fragata del siglo XVIII, una obra perfecta de ingenio,cálculo, estructuras, medidas y estudio, a la vez que arte; todo ello combinado en su justa medida es un claro ejemplo y una gran elección de arquitectura naval de la época. El carácter no invasivo de la fotogrametría y la alta precisión que ofrece hace que este sea un método muy apropiado para este tipo de trabajos. Apoyándonos en estas técnicas, se pretende obtener una precisión entorno al milímetro en el modelo final. Así mismo se investigará y describirá una metodología de trabajo eficiente, rápida y de bajo coste que pretende sustituir otras metodologías utilizadas en este tipo de proyectos.

Fundamentos de informática

Este libro trata exactamente de lo que dice su título. Como primera impresión, a algunas personas puede parecerles innecesario publicar un texto sobre fundamentos en una época en que la informática ha llegado en su difusión casi a formar parte material del mobiliario hogareño. Además de este efecto distributivo sobre la sociedad, los espectaculares progresos tecnológicos han producido un crecimiento desbordante de la especialización. Los sistemas operativos, las bases de datos, los lenguajes concurrentes, la programación lógica, la inteligencia artificial, la arquitectura de ordenadores, las redes, las herramientas de ayuda para ingeniería de software y tantas otras más específicas e instrumentales son áreas de trabajo o técnicas que por sí solas requieren esfuerzos considerables por parte de quienes pretenden estudiar y seguir su evolución.

Fundamentos de informática

El libro que presentamos responde a esta llamada, puesto que se ocupa de algunas de las raíces o fundamentos de la informática. Lo hemos escrito pensando en los estudiantes universitarios de las ramas de informática, así como en los profesionales antes mencionados. Estos últimos encontrarán un texto autocontenido,desprovisto en lo posible del aparato teórico habitual y preocupado permanentemente en la tarea de desarrollar aperturas a cuestiones de la más viva actualidad, como los sistemas borrosos o la complejidad del software, y a cuestiones en las que parece vislumbrarse un futuro. En cuanto a los estudiantes,nuestra experiencia nos dice que, por un cúmulo de circunstancias que no hacen al caso, se ven obligados con frecuencia a estudiar las materias objeto de nuestro libro, tal vez, sí, con mayor extensión y formalismo matemático, pero no siempre bajo condiciones óptimas: apuntes improvisados, textos en lenguas extranjeras, dispersión de estas mismas materias en distintas asignaturas y por tanto fragmentación de su sentido radical (raíces), o desapego del sentido de su aplicación. Sin poner en tela de juicio la necesidad científica del mejor formalismo posible, está constatado que dosis excesivas y exclusivas de esa medicina conducen en el plano educativo a un estéril desánimo de los estudiantes.

Plan de Acción Tutorial en la E.U. de Informática de la Universidad Politécnica de Madrid

Este artículo presenta un modelo de acción tutorial desarrollado sobre estrategias de acompañamiento al estudiante basadas en “coaching” e inteligencia emocional, y un modelo experimental de tutorías por pares de tutores en los que se celebran sesiones conjuntas para tratar problemas comunes y compartir experiencias de los tutelados. Los resultados obtenidos de integración y eficiencia en el proceso de enseñanza aprendizaje de los tutelados en este modelo invitan a extender la experiencia a un grupo de tutores mayor para después generalizarlo.

Educación social e informática

Los receptores constituyen la puerta por donde el ser humano recibe información de su propio organismo y de su mundo exterior. Son los «sentidos», toda una teoría de órganos que producen en el sujeto las sensaciones de color, de sonido, de sabor, de tacto, pero también de dolor, de placer, de nivel de equilibrio o de movimiento, y que perciben constantemente e informan al sistema nervioso de cualquier alteración somática.

Reflexiones sobre la necesidad y el modo de reajustar el modelo educativo vigente en informática superior (Hacia una concepción socio técnica de la tecnología)

Se presenta un conjunto de ideas para renovar el diseño e implantación de currículos informáticos, especialmente de currículos con un fuerte contenido informático. Los tres elementos fundamentales son: a) un concepto socio técnico de la tecnología, b) una arquitectura de contenidos curriculares formada por tres dominios, y una herramienta docente para definir el perfil del titulado. En cuanto a la aplicación de tales ideas, que postulan a la Universidad como una entidad que se adapta a las necesidades sociales, se discute la intrínseca dificultad de la Universidad para comportarse como una organización aprendiente.

¿Existe una investigación nacional en informática? Lectura crítica del anuario español de la investigación en informática

No se discute el interés de contar con un fichero de los proyectos de investigación en informática, con una información detallada y al mismo tiempo global de los esfuerzos en dicho terreno. La utilidad de esta información no ofrecería discusión si se desprendiera como maduro fruto de una realidad tangible. Cuando, por el contrario, aparece como fruto inesperado, incompatible con las características productivas de un terreno sistemáticamente no abonado, debe generar cautelas sin cuento.

La investigación nacional en informática

Todo sector tiene sus peculiaridades. El de la informática, cuyos gastos totales en España para este año de 1976 fueron estimados modestamente en cifras del orden de 40.000 millones de pesetas, de las que alrededor de un 40 al 45% irán a compra o alquiler de equipo importado, es un sector donde la colonización tecnológica e intelectual es absoluta. Absoluta, sin paliativos. En este tan extraordinario grado de dependencia cabe hallar las causas complementarias que determinan un nivel real de investigación inferior al de otros sectores de volumen económico equivalente y lo que, a mi juicio, es peor, las causas de las dificultades ante cualquier iniciativa para impulsar nuestra informática.

Propuesta de algunas pautas para guiar la elaboración, a mediados de los ochenta, de los objetivos,metodología y pedagogía de la enseñanza de la informática en cualquier sistema educativo

Este documento fue elaborado para servir de base y estímulo a otras aportaciones individuales y al debate que tuvo lugar durante un seminario que, sobre Objetivos,Metodología y Pedagogía de la Enseñanza de la Informática,organizó el CREI en el pasado mes de noviembre. Por el propio título se ve que el tema tiene envergadura; probablemente, es un tema en el que, por muchas y variadas razones, lo más conveniente consista en hallar un plano adecuado de generalidad y ahí pergeñar un esquema coherente de ideas, proyectable luego a otros planos. Construir dicho plano y abocetar ese esquema es,en definitiva, la meta de este documento.