Carbonate Rock Pore Size Distribution Determination through Iowa Pore Index Testing, MLR-15-01, 2015

The Iowa Pore Index (IPI) measures the pore system of carbonate (limestone and dolomite) rocks using pressurized water to infiltrate the pore system. This technique provides quantitative results for the primary and capillary (secondary) pores in carbonate rocks. These results are used in conjunction with chemical and mineralogical test results to calculate a quality number, which is used as a predictor of aggregate performance in Portland cement concrete (PCC) leading to the durability classification of the aggregate. This study had two main objectives: to determine the effect different aggregate size has on IPI test results and to establish the precision of IPI test and test apparatus. It was found that smaller aggregate size fractions could be correlated to the standard 1/2”-3/4” size sample. Generally, a particle size decrease was accompanied by a slight decrease in IPI values. The IPI testing also showed fairly good agreement of the secondary pore index number between the 1/2”-3/4”and the 3/8”-1/2” fraction. The #4-3/8” showed a greater difference of the secondary number from the 1/2”-3/4” fraction. The precision of the IPI test was established as a standard deviation (Sr) of 2.85 (Primary) and 0.87 (Secondary) with a repeatability limit (%r) of 8.5% and 14.9% for the primary and secondary values, respectively.

Integration of a 3D rendering engine with a physics simulator

The goal of this project is the integration of a set of technologies (graphics, physical simulation, input), with the azm of assembling an application framework in phyton. In this research, a set of key introductory concepts are presented in adoption of a deep study of the state of the art of 3D applications. Phyton is selected an justified as the programing language due to the features and advantages that it offers in front of other languages. Finally the design and implementation of the framework is presented in the last chapter with some client application examples.

Prospective motion correction of 3D echo-planar imaging data for functional MRI using optical tracking.

We evaluated the performance of an optical camera based prospective motion correction (PMC) system in improving the quality of 3D echo-planar imaging functional MRI data. An optical camera and external marker were used to dynamically track the head movement of subjects during fMRI scanning. PMC was performed by using the motion information to dynamically update the sequence's RF excitation and gradient waveforms such that the field-of-view was realigned to match the subject's head movement. Task-free fMRI experiments on five healthy volunteers followed a 2×2×3 factorial design with the following factors: PMC on or off; 3.0mm or 1.5mm isotropic resolution; and no, slow, or fast head movements. Visual and motor fMRI experiments were additionally performed on one of the volunteers at 1.5mm resolution comparing PMC on vs PMC off for no and slow head movements. Metrics were developed to quantify the amount of motion as it occurred relative to k-space data acquisition. The motion quantification metric collapsed the very rich camera tracking data into one scalar value for each image volume that was strongly predictive of motion-induced artifacts. The PMC system did not introduce extraneous artifacts for the no motion conditions and improved the time series temporal signal-to-noise by 30% to 40% for all combinations of low/high resolution and slow/fast head movement relative to the standard acquisition with no prospective correction. The numbers of activated voxels (p<0.001, uncorrected) in both task-based experiments were comparable for the no motion cases and increased by 78% and 330%, respectively, for PMC on versus PMC off in the slow motion cases. The PMC system is a robust solution to decrease the motion sensitivity of multi-shot 3D EPI sequences and thereby overcome one of the main roadblocks to their widespread use in fMRI studies.

Ultra-high-resolution 3D imaging of atherosclerosis in mice with synchrotron differential phase contrast: a proof of concept study.

The goal of this study was to investigate the performance of 3D synchrotron differential phase contrast (DPC) imaging for the visualization of both macroscopic and microscopic aspects of atherosclerosis in the mouse vasculature ex vivo. The hearts and aortas of 2 atherosclerotic and 2 wild-type control mice were scanned with DPC imaging with an isotropic resolution of 15 μm. The coronary artery vessel walls were segmented in the DPC datasets to assess their thickness, and histological staining was performed at the level of atherosclerotic plaques. The DPC imaging allowed for the visualization of complex structures such as the coronary arteries and their branches, the thin fibrous cap of atherosclerotic plaques as well as the chordae tendineae. The coronary vessel wall thickness ranged from 37.4 ± 5.6 μm in proximal coronary arteries to 13.6 ± 3.3 μm in distal branches. No consistent differences in coronary vessel wall thickness were detected between the wild-type and atherosclerotic hearts in this proof-of-concept study, although the standard deviation in the atherosclerotic mice was higher in most segments, consistent with the observation of occasional focal vessel wall thickening. Overall, DPC imaging of the cardiovascular system of the mice allowed for a simultaneous detailed 3D morphological assessment of both large structures and microscopic details.

Control and femtosecond time-resolved imaging of torsion in a chiral molecule

We study how the combination of long and short laser pulses can be used to induce torsion in an axially chiral biphenyl derivative (3,5-difluoro-3 ,5 -dibromo-4 -cyanobiphenyl). A long, with respect to the molecular rotational periods, elliptically polarized laser pulse produces 3D alignment of the molecules, and a linearly polarized short pulse initiates torsion about the stereogenic axis. The torsional motion is monitored in real-time by measuring the dihedral angle using femtosecond time-resolved Coulomb explosion imaging. Within the first 4 picoseconds (ps), torsion occurs with a period of 1.25 ps and an amplitude of 3◦ in excellent agreement with theoretical calculations. At larger times, the quantum states of the molecules describing the torsional motion dephase and an almost isotropic distribution of the dihedral angle is measured.We demonstrate an original application of covariance analysis of two-dimensional ion images to reveal strong correlations between specific ejected ionic fragments from Coulomb explosion. This technique strengthens our interpretation of the experimental data

Polarimetric 3D integral imaging in photon-starved conditions

We develop a method for obtaining 3D polarimetric integral images from elemental images recorded in low light illumination conditions. Since photon-counting images are very sparse, calculation of the Stokes parameters and the degree of polarization should be handled carefully. In our approach, polarimetric 3D integral images are generated using the Maximum Likelihood Estimation and subsequently reconstructed by means of a Total Variation Denoising filter. In this way, polarimetric results are comparable to those obtained in conventional illumination conditions. We also show that polarimetric information retrieved from photon starved images can be used in 3D object recognition problems. To the best of our knowledge, this is the first report on 3D polarimetric photon counting integral imaging.

Optimization and validation of a new 3D-US imaging robot to detect, localize and quantify lower limb arterial stenoses

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients. L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5).

Semiautomated 3D liver segmentation using computed tomography and magnetic resonance imaging

Le foie est un organe vital ayant une capacité de régénération exceptionnelle et un rôle crucial dans le fonctionnement de l’organisme. L’évaluation du volume du foie est un outil important pouvant être utilisé comme marqueur biologique de sévérité de maladies hépatiques. La volumétrie du foie est indiquée avant les hépatectomies majeures, l’embolisation de la veine porte et la transplantation. La méthode la plus répandue sur la base d'examens de tomodensitométrie (TDM) et d'imagerie par résonance magnétique (IRM) consiste à délimiter le contour du foie sur plusieurs coupes consécutives, un processus appelé la «segmentation». Nous présentons la conception et la stratégie de validation pour une méthode de segmentation semi-automatisée développée à notre institution. Notre méthode représente une approche basée sur un modèle utilisant l’interpolation variationnelle de forme ainsi que l’optimisation de maillages de Laplace. La méthode a été conçue afin d’être compatible avec la TDM ainsi que l' IRM. Nous avons évalué la répétabilité, la fiabilité ainsi que l’efficacité de notre méthode semi-automatisée de segmentation avec deux études transversales conçues rétrospectivement. Les résultats de nos études de validation suggèrent que la méthode de segmentation confère une fiabilité et répétabilité comparables à la segmentation manuelle. De plus, cette méthode diminue de façon significative le temps d’interaction, la rendant ainsi adaptée à la pratique clinique courante. D’autres études pourraient incorporer la volumétrie afin de déterminer des marqueurs biologiques de maladie hépatique basés sur le volume tels que la présence de stéatose, de fer, ou encore la mesure de fibrose par unité de volume.

Tomographic imaging of molecular orbitals in length and velocity form

Recently Itatani et al. [Nature 432, 876 (2004)] introduced the new concept of molecular orbital tomography, where high harmonic generation (HHG) is used to image electronic wave functions. We describe an alternative reconstruction form, using momentum instead of dipole matrix elements for the electron recombination step in HHG. We show that using this velocity-form reconstruction, one obtains better results than using the original length-form reconstruction. We provide numerical evidence for our claim that one has to resort to extremely short pulses to perform the reconstruction for an orbital with arbitrary symmetry. The numerical evidence is based on the exact solution of the time-dependent Schrödinger equation for 2D model systems to simulate the experiment. Furthermore we show that in the case of cylindrically symmetric orbitals, such as the N2 orbital that was reconstructed in the original work, one can obtain the full 3D wave function and not only a 2D projection of it. Vor kurzem führten Itatani et al. [Nature 432, 876 (2004)] das Konzept der Molelkülorbital-Tomographie ein. Hierbei wird die Erzeugung hoher Harmonischer verwendet, um Bilder von elektronischen Wellenfunktionen zu gewinnen. Wir beschreiben eine alternative Form der Rekonstruktion, die auf Impuls- statt Dipol-Matrixelementen für den Rekombinationsschritt bei der Erzeugung der Harmonischen basiert. Wir zeigen, dass diese "Geschwindigkeitsform" der Rekonstruktion bessere Ergebnisse als die ursprüngliche "Längenform" liefert. Wir zeigen numerische Beweise für unsere Behauptung, dass man zu extrem kurzen Laserpulsen gehen muss, um Orbitale mit beliebiger Symmetrie zu rekonstruieren. Diese Ergebnisse basieren auf der exakten Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung für 2D-Modellsysteme. Wir zeigen ferner, dass für zylindersymmetrische Orbitale wie das N2-Orbital, welches in der oben zitierten Arbeit rekonstruiert wurde, das volle 3D-Orbital rekonstruiert werden kann, nicht nur seine 2D-Projektion.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Refraction corrected transmission ultrasound computed tomography for application in breast imaging

Purpose: We present an iterative framework for CT reconstruction from transmission ultrasound data which accurately and efficiently models the strong refraction effects that occur in our target application: Imaging the female breast. Methods: Our refractive ray tracing framework has its foundation in the fast marching method (FNMM) and it allows an accurate as well as efficient modeling of curved rays. We also describe a novel regularization scheme that yields further significant reconstruction quality improvements. A final contribution is the development of a realistic anthropomorphic digital breast phantom based on the NIH Visible Female data set. Results: Our system is able to resolve very fine details even in the presence of significant noise, and it reconstructs both sound speed and attenuation data. Excellent correspondence with a traditional, but significantly more computationally expensive wave equation solver is achieved. Conclusions: Apart from the accurate modeling of curved rays, decisive factors have also been our regularization scheme and the high-quality interpolation filter we have used. An added benefit of our framework is that it accelerates well on GPUs where we have shown that clinical 3D reconstruction speeds on the order of minutes are possible.

Case study: a 3D resistivity and induced polarization imaging from downstream a waste disposal site in Brazil

A contaminated site from a downstream municipal solid waste disposal site in Brazil was investigated by using a 3D resistivity and induced polarization (IP) imaging technique. This investigation purpose was to detect and delineate contamination plume produced by wastes. The area was selected based on previous geophysical investigations, and chemical analyses carried out in the site, indicating the presence of a contamination plume in the area. Resistivity model has successfully imaged waste presence (rho < 20 Omega m), water table depth, and groundwater flow direction. A conductive anomaly (rho < 20 Omega m) outside wastes placement was interpreted as a contamination plume. Chargeability model was also able to imaging waste presence (m > 31 mV/V), water table depth, and groundwater flow direction. A higher chargeability zone (m > 31 mV/V) outside wastes placement and following conductive anomaly was interpreted as a contamination plume. Normalized chargeability (MN = m/rho) confirmed polarizable zone, which could be an effect of a salinity increase (contamination plume), and the clay presence in the environment.