Development of procedures for the design, optimization and manufacturing of customized orthopaedic and trauma implants: Geometrical/anatomical modelling from 3D medical imaging

Tese de Doutoramento (Programa Doutoral em Engenharia Biomédica)

Detailed 3D seismic imaging of a fault zone beneath Lake Geneva, Switzerland

An efficient high-resolution (HR) three-dimensional (3D) seismic reflection system for small-scale targets in lacustrine settings was developed. In Lake Geneva, near the city of Lausanne, Switzerland, the offshore extension of a complex fault zone well mapped on land was chosen for testing our system. A preliminary two-dimensional seismic survey indicated structures that include a thin (<40 m) layer of subhorizontal Quaternary sediments that unconformably overlie south-east-dipping Tertiary Molasse beds and a major fault zone (Paudeze Fault Zone) that separates Plateau and Subalpine Molasse (SM) units. A 3D survey was conducted over this test site using a newly developed three-streamer system. It provided high-quality data with a penetration to depths of 300 m below the water bottom of non-aliased signal for dips up to 30degrees and with a maximum vertical resolution of 1.1 m. The data were subjected to a conventional 3D processing sequence that included post-stack time migration. Tests with 3D pre-stack depth migration showed that such techniques can be applied to HR seismic surveys. Delineation of several horizons and fault surfaces reveals the potential for small-scale geologic and tectonic interpretation in three dimensions. Five major seismic facies and their detailed 3D geometries can be distinguished. Three fault surfaces and the top of a molasse surface were mapped in 3D. Analysis of the geometry of these surfaces and their relative orientation suggests that pre-existing structures within the Plateau Molasse (PM) unit influenced later faulting between the Plateau and SM. In particular, a change in strike of the PM bed dip may indicate a fold formed by a regional stress regime, the orientation of which was different from the one responsible for the creation of the Paudeze Fault Zone. This structure might have later influenced the local stress regime and caused the curved shape of the Paudeze Fault in our surveyed area.

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).

Towards the 3D attenuation imaging of active volcanoes: methods and tests on real and simulated data

The purpose of my PhD thesis has been to face the issue of retrieving a three dimensional attenuation model in volcanic areas. To this purpose, I first elaborated a robust strategy for the analysis of seismic data. This was done by performing several synthetic tests to assess the applicability of spectral ratio method to our purposes. The results of the tests allowed us to conclude that: 1) spectral ratio method gives reliable differential attenuation (dt*) measurements in smooth velocity models; 2) short signal time window has to be chosen to perform spectral analysis; 3) the frequency range over which to compute spectral ratios greatly affects dt* measurements. Furthermore, a refined approach for the application of spectral ratio method has been developed and tested. Through this procedure, the effects caused by heterogeneities of propagation medium on the seismic signals may be removed. The tested data analysis technique was applied to the real active seismic SERAPIS database. It provided a dataset of dt* measurements which was used to obtain a three dimensional attenuation model of the shallowest part of Campi Flegrei caldera. Then, a linearized, iterative, damped attenuation tomography technique has been tested and applied to the selected dataset. The tomography, with a resolution of 0.5 km in the horizontal directions and 0.25 km in the vertical direction, allowed to image important features in the off-shore part of Campi Flegrei caldera. High QP bodies are immersed in a high attenuation body (Qp=30). The latter is well correlated with low Vp and high Vp/Vs values and it is interpreted as a saturated marine and volcanic sediments layer. High Qp anomalies, instead, are interpreted as the effects either of cooled lava bodies or of a CO2 reservoir. A pseudo-circular high Qp anomaly was detected and interpreted as the buried rim of NYT caldera.

Importance of 3D-CT imaging in single-bullet cranioencephalic gunshot wounds

PURPOSE: The aim of this paper is to demonstrate that computed tomography (CT) and three-dimensional (3D) CT imaging techniques can be useful tools for evaluating gunshot wounds of the skull in forensic medicine. Three purposes can be achieved: (1) identifying and recognising the bullet entrance wound - and exit wound, if present; (2) recognising the bullet's intracranial course by studying damage to bone and brain tissue; (3) suggesting hypotheses as to the dynamics of the event. MATERIALS AND METHODS: Ten cadavers of people who died of a fatal head injury caused by a single gunshot were imaged with total-body CT prior to conventional autoptic examination. Three-dimensional-CT reconstructions were obtained with the volume-rendering technique, and data were analysed by two independent observers and compared with autopsy results. RESULTS: In our experience, CT analysis and volumetric reconstruction techniques allowed the identification of the bullet entrance and exit wounds and intracranial trajectory, as well as helping to formulate a hypothesis on the extracranial trajectory to corroborate circumstantial evidence. CONCLUSIONS: CT imaging techniques are excellent tools for addressing the most important questions of forensic medicine in the case of gunshot wounds of the skull, with results as good as (or sometimes better than) traditional autoptic methods.

The role of 3D fusion imaging in sentinel lymphadenectomy for vulvar cancer

OBJECTIVES: To evaluate the feasibility of fusion imaging compound tomography (FICT) of CT/MRI and single photon emission tomography (SPECT) versus planar scintigraphy only (plSc) in pre-surgical staging for vulvar cancer. MATERIALS AND METHODS: Analysis of consecutive patients with vulvar cancer who preoperatively underwent sentinel scintigraphy (planar and 3D-SPECT imaging) and CT or MRI. Body markers were used for exact anatomical co-registration and fusion datasets were reconstructed using SPECT and CT/MRI. The number and localisation of all intraoperatively identified and resected sentinel lymph nodes (SLN) were compared between planar and 3D fusion imaging. RESULTS: Twenty six SLN were localized on planar scintigraphy. Twelve additional SLN were identified after SPECT and CT/MRI reconstruction, all of them were confirmed intraoperatively. In seven cases where single foci were identified at plSc, fusion imaging revealed grouped individual nodes and five additional localisations were discovered at fusion imaging. In seven patients both methods identified SLN contra lateral to the primary tumor site, but only fusion imaging allowed to localise iliac SLN in four patients. All SLN predicted on fusion imaging could be localised and resected during surgery. CONCLUSIONS: Fusion imaging using SPECT and CT/MRI can detect SLN in vulvar cancer more precisely than planar imaging regarding number and anatomical localisation. FICT revealed additional information in seven out of ten cases (70%).

3D Ultrasound imaging--a useful non-invasive tool to detect AV fistulas in transplanted kidneys

BACKGROUND: A precise, non-invasive, non-toxic, repeatable, convenient and inexpensive follow-up of renal transplants, especially following biopsies, is in the interest of nephrologists. Formerly, the rate of biopsies leading to AV fistulas had been underestimated. Imaging procedures suited to a detailed judgement of these vascular malformations are to be assessed. METHODS: Three-dimensional (3D) reconstruction techniques of ultrasound flow-directed and non-flow-directed energy mode pictures were compared with a standard procedure, gadolinium-enhanced nuclear magnetic resonance imaging angiography (MRA) using the phase contrast technique. RESULTS: Using B-mode and conventional duplex information, AV fistulas were localized in the upper pole of the kidney transplant of the index patient. The 3D reconstruction provided information about the exact localization and orientation of the fistula in relation to other vascular structures, and the flow along the fistula. The MRA provided localization and orientation information, but less functional information. Flow-directed and non-flow-directed energy mode pictures could be reconstructed to provide 3D information about vascular malformations in transplanted kidneys. CONCLUSION: In transplanted kidneys, 3D-ultrasound angiography may be equally as effective as MRA in localizing and identifying AV malformations. Advantages of the ultrasound method are that it is cheaper, non-toxic, non-invasive, more widely availability and that it even provides more functional information. Future prospective studies will be necessary to evaluate the two techniques further.

3D Computerized Occlusion Rating of Embolized Experimental Aneurysms Using Noninvasive 1.5T MR Imaging

For embolized cerebral aneurysms, the initial occlusion rate is the most powerful parameter to predict aneurysm rerupture and recanalization. However, the occlusion rate is only estimated subjectively in clinical routine. To minimize subjective bias, computer occlusion-rating (COR) was successfully validated for 2D images. To minimize the remaining inaccuracy of 2D-COR, COR was applied to 1.5T 3D MR imaging.

3D Wavelet-based Fusion Techniques for Biomedical Imaging

Hoy en día las técnicas de adquisición de imágenes tridimensionales son comunes en diversas áreas, pero cabe destacar la relevancia que han adquirido en el ámbito de la imagen biomédica, dentro del cual encontramos una amplia gama de técnicas como la microscopía confocal, microscopía de dos fotones, microscopía de fluorescencia mediante lámina de luz, resonancia magnética nuclear, tomografía por emisión de positrones, tomografía de coherencia óptica, ecografía 3D y un largo etcétera. Un denominador común de todas esas aplicaciones es la constante necesidad por aumentar la resolución y la calidad de las imágenes adquiridas. En algunas de dichas técnicas de imagen tridimensional se da una interesante situación: aunque que cada volumen adquirido no contiene información suficiente para representar el objeto bajo estudio dentro de los parámetros de calidad requeridos por algunas aplicaciones finales, el esquema de adquisición permite la obtención de varios volúmenes que representan diferentes vistas de dicho objeto, de tal forma que cada una de las vistas proporciona información complementaria acerca del mismo. En este tipo de situación es posible, mediante la combinación de varias de esas vistas, obtener una mejor comprensión del objeto que a partir de cada una de ellas por separado. En el contexto de esta Tesis Doctoral se ha propuesto, desarrollado y validado una nueva metodología de proceso de imágenes basada en la transformada wavelet disc¬reta para la combinación, o fusión, de varias vistas con información complementaria de un mismo objeto. El método de fusión propuesto aprovecha la capacidad de descom¬posición en escalas y orientaciones de la transformada wavelet discreta para integrar en un solo volumen toda la información distribuida entre el conjunto de vistas adquiridas. El trabajo se centra en dos modalidades diferentes de imagen biomédica que per¬miten obtener tales adquisiciones multi-vista. La primera es una variante de la micro¬scopía de fluorescencia, la microscopía de fluorescencia mediante lámina de luz, que se utiliza para el estudio del desarrollo temprano de embriones vivos en diferentes modelos animales, como el pez cebra o el erizo de mar. La segunda modalidad es la resonancia magnética nuclear con realce tardío, que constituye una valiosa herramienta para evaluar la viabilidad del tejido miocárdico en pacientes con diversas miocardiopatías. Como parte de este trabajo, el método propuesto ha sido aplicado y validado en am¬bas modalidades de imagen. En el caso de la aplicación a microscopía de fluorescencia, los resultados de la fusión muestran un mejor contraste y nivel de detalle en comparación con cualquiera de las vistas individuales y el método no requiere de conocimiento previo acerca la función de dispersión puntual del sistema de imagen. Además, los resultados se han comparado con otros métodos existentes. Con respecto a la aplicación a imagen de resonancia magnética con realce tardío, los volúmenes fusionados resultantes pre-sentan una mejora cuantitativa en la nitidez de las estructuras relevantes y permiten una interpretación más sencilla y completa de la compleja estructura tridimensional del tejido miocárdico en pacientes con cardiopatía isquémica. Para ambas aplicaciones los resultados de esta tesis se encuentran actualmente en uso en los centros clínicos y de investigación con los que el autor ha colaborado durante este trabajo. Además se ha puesto a libre disposición de la comunidad científica la implementación del método de fusión propuesto. Por último, se ha tramitado también una solicitud de patente internacional que cubre el método de visualización desarrollado para la aplicación de Resonancia Magnética Nuclear. Abstract Nowadays three dimensional imaging techniques are common in several fields, but es-pecially in biomedical imaging, where we can find a wide range of techniques including: Laser Scanning Confocal Microscopy, Laser Scanning Two Photon Microscopy, Light Sheet Fluorescence Microscopy, Magnetic Resonance Imaging, Positron Emission To-mography, Optical Coherence Tomography, 3D Ultrasound Imaging, etc. A common denominator of all those applications being the constant need for further increasing resolution and quality of the acquired images. Interestingly, in some of the mentioned three-dimensional imaging techniques a remarkable situation arises: while a single volume does not contain enough information to represent the object being imaged within the quality parameters required by the final application, the acquisition scheme allows recording several volumes which represent different views of a given object, with each of the views providing complementary information. In this kind of situation one can get a better understanding of the object by combining several views instead of looking at each of them separately. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and test new image processing methodologies based on the discrete wavelet transform for the combination, or fusion, of several views containing complementary information of a given object. The proposed fusion method exploits the scale and orientation decomposition capabil¬ities of the discrete wavelet transform to integrate in a single volume all the available information distributed among the set of acquired views. The work focuses in two different biomedical imaging modalities which provide such multi-view datasets. The first one is a particular fluorescence microscopy technique, Light-Sheet Fluorescence Microscopy, used for imaging and gaining understanding of the early development of live embryos from different animal models (like zebrafish or sea urchin). The second is Delayed Enhancement Magnetic Resonance Imaging, which is a valuable tool for assessing the viability of myocardial tissue on patients suffering from different cardiomyopathies. As part of this work, the proposed method was implemented and then validated on both imaging modalities. For the fluorescence microscopy application, the fusion results show improved contrast and detail discrimination when compared to any of the individual views and the method does not rely on prior knowledge of the system’s point spread function (PSF). Moreover, the results have shown improved performance with respect to previous PSF independent methods. With respect to its application to Delayed Enhancement Magnetic Resonance Imaging, the resulting fused volumes show a quantitative sharpness improvement and enable an easier and more complete interpretation of complex three-dimensional scar and heterogeneous tissue information in ischemic cardiomyopathy patients. In both applications, the results of this thesis are currently in use in the clinical and research centers with which the author collaborated during his work. An imple¬mentation of the fusion method has also been made freely available to the scientific community. Finally, an international patent application has been filed covering the visualization method developed for the Magnetic Resonance Imaging application.

High throughput 3D super-resolution microscopy reveals Caulobacter crescentus in vivo Z-ring organization.

We created a high-throughput modality of photoactivated localization microscopy (PALM) that enables automated 3D PALM imaging of hundreds of synchronized bacteria during all stages of the cell cycle. We used high-throughput PALM to investigate the nanoscale organization of the bacterial cell division protein FtsZ in live Caulobacter crescentus. We observed that FtsZ predominantly localizes as a patchy midcell band, and only rarely as a continuous ring, supporting a model of "Z-ring" organization whereby FtsZ protofilaments are randomly distributed within the band and interact only weakly. We found evidence for a previously unidentified period of rapid ring contraction in the final stages of the cell cycle. We also found that DNA damage resulted in production of high-density continuous Z-rings, which may obstruct cytokinesis. Our results provide a detailed quantitative picture of in vivo Z-ring organization.

Model-based Segmentation and Image Fusion of 3D Computed Tomography and 3D Ultrasound of the Eye for Radiotherapy Planning

For radiotherapy treatment planning of retinoblastoma inchildhood, Computed Tomography (CT) represents thestandard method for tumor volume delineation, despitesome inherent limitations. CT scan is very useful inproviding information on physical density for dosecalculation and morphological volumetric information butpresents a low sensitivity in assessing the tumorviability. On the other hand, 3D ultrasound (US) allows ahigh accurate definition of the tumor volume thanks toits high spatial resolution but it is not currentlyintegrated in the treatment planning but used only fordiagnosis and follow-up. Our ultimate goal is anautomatic segmentation of gross tumor volume (GTV) in the3D US, the segmentation of the organs at risk (OAR) inthe CT and the registration of both. In this paper, wepresent some preliminary results in this direction. Wepresent 3D active contour-based segmentation of the eyeball and the lens in CT images; the presented approachincorporates the prior knowledge of the anatomy by usinga 3D geometrical eye model. The automated segmentationresults are validated by comparing with manualsegmentations. Then, for the fusion of 3D CT and USimages, we present two approaches: (i) landmark-basedtransformation, and (ii) object-based transformation thatmakes use of eye ball contour information on CT and USimages.

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

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

Proposta metodológica para o imageamento digital e modelagem virtual 3d de um bloco de rochas travertinas

In this paper we present the methodological procedures involved in the digital imaging in mesoscale of a block of travertines rock of quaternary age, originating from the city of Acquasanta, located in the Apennines, Italy. This rocky block, called T-Block, was stored in the courtyard of the Laboratório Experimental Petróleo "Kelsen Valente" (LabPetro), of Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), so that from it were performed Scientific studies, mainly for research groups universities and research centers working in brazilian areas of reservoir characterization and 3D digital imaging. The purpose of this work is the development of a Model Solid Digital, from the use of non-invasive techniques of digital 3D imaging of internal and external surfaces of the T-Block. For the imaging of the external surfaces technology has been used LIDAR (Light Detection and Range) and the imaging surface Interior was done using Ground Penetrating Radar (GPR), moreover, profiles were obtained with a Gamma Ray Gamae-spectômetro laptop. The goal of 3D digital imaging involved the identification and parameterization of surface geological and sedimentary facies that could represent heterogeneities depositional mesoscale, based on study of a block rocky with dimensions of approximately 1.60 m x 1.60 m x 2.70 m. The data acquired by means of terrestrial laser scanner made available georeferenced spatial information of the surface of the block (X, Y, Z), and varying the intensity values of the return laser beam and high resolution RGB data (3 mm x 3 mm), total points acquired 28,505,106. This information was used as an aid in the interpretation of radargrams and are ready to be displayed in rooms virtual reality. With the GPR was obtained 15 profiles of 2.3 m and 2 3D grids, each with 24 sections horizontal of 1.3 and 14 m vertical sections of 2.3 m, both the Antenna 900 MHz to about 2600 MHz antenna. Finally, the use of GPR associated with Laser Scanner enabled the identification and 3D mapping of 3 different radarfácies which were correlated with three sedimentary facies as had been defined at the outset. The 6 profiles showed gamma a low amplitude variation in the values of radioactivity. This is likely due to the fact of the sedimentary layers profiled have the same mineralogical composition, being composed by carbonate sediments, with no clay in siliciclastic pellitic layers or other mineral carrier elements radioactive

Imageamento Elétrico 3D em área contaminada por hidrocarbonetono polo industrial de Cubatão - SP

Este trabalho mostra os resultados obtidos com ensaios geofísicos realizados em uma área contaminada por hidrocarboneto no Polo Industrial de Cubatão - São Paulo, com objetivo de caracterizar as anomalias geoelétricas associadas à presença dos hidrocarbonetos, bem como delimitar e cubar tais anomalias. Para tanto, utilizou-se o método da eletrorresistividade, por meio das técnicas de Sondagem Elétrica Vertical (SEV) e Imageamento Elétrico 3D. Os resultados obtidos permitem indicar que a presença de hidrocarboneto está associada a anomalias condutivas devido aos produtos da biodegradação. As anomalias condutivas ocorrem de forma disseminada na área, totalizando um volume de 1365,3 m³; entretanto, este volume corresponde somente à presença de contaminante em fase residual.