Detección automática con snakes y representación 3D sobre imágenes cerebrales

Comunicación presentada en la VI Conferencia de la Asociación Española para la Inteligencia Artificial (CAEPIA'95), Alicante, 15-17 noviembre 1995.

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.

Computational methods to create and analyze a digital gene expression atlas of embryo development from microscopy images

Abstract The creation of atlases, or digital models where information from different subjects can be combined, is a field of increasing interest in biomedical imaging. When a single image does not contain enough information to appropriately describe the organism under study, it is then necessary to acquire images of several individuals, each of them containing complementary data with respect to the rest of the components in the cohort. This approach allows creating digital prototypes, ranging from anatomical atlases of human patients and organs, obtained for instance from Magnetic Resonance Imaging, to gene expression cartographies of embryo development, typically achieved from Light Microscopy. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and validate new dedicated image processing methodologies that, based on image registration techniques, bring information from multiple individuals into alignment within a single digital atlas model. We also elaborate a dedicated software visualization platform to explore the resulting wealth of multi-dimensional data and novel analysis algo-rithms to automatically mine the generated resource in search of bio¬logical insights. In particular, this work focuses on gene expression data from developing zebrafish embryos imaged at the cellular resolution level with Two-Photon Laser Scanning Microscopy. Disposing of quantitative measurements relating multiple gene expressions to cell position and their evolution in time is a fundamental prerequisite to understand embryogenesis multi-scale processes. However, the number of gene expressions that can be simultaneously stained in one acquisition is limited due to optical and labeling constraints. These limitations motivate the implementation of atlasing strategies that can recreate a virtual gene expression multiplex. The developed computational tools have been tested in two different scenarios. The first one is the early zebrafish embryogenesis where the resulting atlas constitutes a link between the phenotype and the genotype at the cellular level. The second one is the late zebrafish brain where the resulting atlas allows studies relating gene expression to brain regionalization and neurogenesis. The proposed computational frameworks have been adapted to the requirements of both scenarios, such as the integration of partial views of the embryo into a whole embryo model with cellular resolution or the registration of anatom¬ical traits with deformable transformation models non-dependent on any specific labeling. The software implementation of the atlas generation tool (Match-IT) and the visualization platform (Atlas-IT) together with the gene expression atlas resources developed in this Thesis are to be made freely available to the scientific community. Lastly, a novel proof-of-concept experiment integrates for the first time 3D gene expression atlas resources with cell lineages extracted from live embryos, opening up the door to correlate genetic and cellular spatio-temporal dynamics. La creación de atlas, o modelos digitales, donde la información de distintos sujetos puede ser combinada, es un campo de creciente interés en imagen biomédica. Cuando una sola imagen no contiene suficientes datos como para describir apropiadamente el organismo objeto de estudio, se hace necesario adquirir imágenes de varios individuos, cada una de las cuales contiene información complementaria respecto al resto de componentes del grupo. De este modo, es posible crear prototipos digitales, que pueden ir desde atlas anatómicos de órganos y pacientes humanos, adquiridos por ejemplo mediante Resonancia Magnética, hasta cartografías de la expresión genética del desarrollo de embrionario, típicamente adquiridas mediante Microscopía Optica. Dentro de este contexto, en esta Tesis Doctoral se introducen, desarrollan y validan nuevos métodos de procesado de imagen que, basándose en técnicas de registro de imagen, son capaces de alinear imágenes y datos provenientes de múltiples individuos en un solo atlas digital. Además, se ha elaborado una plataforma de visualization específicamente diseñada para explorar la gran cantidad de datos, caracterizados por su multi-dimensionalidad, que resulta de estos métodos. Asimismo, se han propuesto novedosos algoritmos de análisis y minería de datos que permiten inspeccionar automáticamente los atlas generados en busca de conclusiones biológicas significativas. En particular, este trabajo se centra en datos de expresión genética del desarrollo embrionario del pez cebra, adquiridos mediante Microscopía dos fotones con resolución celular. Disponer de medidas cuantitativas que relacionen estas expresiones genéticas con las posiciones celulares y su evolución en el tiempo es un prerrequisito fundamental para comprender los procesos multi-escala característicos de la morfogénesis. Sin embargo, el número de expresiones genéticos que pueden ser simultáneamente etiquetados en una sola adquisición es reducido debido a limitaciones tanto ópticas como del etiquetado. Estas limitaciones requieren la implementación de estrategias de creación de atlas que puedan recrear un multiplexado virtual de expresiones genéticas. Las herramientas computacionales desarrolladas han sido validadas en dos escenarios distintos. El primer escenario es el desarrollo embrionario temprano del pez cebra, donde el atlas resultante permite constituir un vínculo, a nivel celular, entre el fenotipo y el genotipo de este organismo modelo. El segundo escenario corresponde a estadios tardíos del desarrollo del cerebro del pez cebra, donde el atlas resultante permite relacionar expresiones genéticas con la regionalización del cerebro y la formación de neuronas. La plataforma computacional desarrollada ha sido adaptada a los requisitos y retos planteados en ambos escenarios, como la integración, a resolución celular, de vistas parciales dentro de un modelo consistente en un embrión completo, o el alineamiento entre estructuras de referencia anatómica equivalentes, logrado mediante el uso de modelos de transformación deformables que no requieren ningún marcador específico. Está previsto poner a disposición de la comunidad científica tanto la herramienta de generación de atlas (Match-IT), como su plataforma de visualización (Atlas-IT), así como las bases de datos de expresión genética creadas a partir de estas herramientas. Por último, dentro de la presente Tesis Doctoral, se ha incluido una prueba conceptual innovadora que permite integrar los mencionados atlas de expresión genética tridimensionales dentro del linaje celular extraído de una adquisición in vivo de un embrión. Esta prueba conceptual abre la puerta a la posibilidad de correlar, por primera vez, las dinámicas espacio-temporales de genes y células.

Mapeamento do perfil metabólico cerebral em indivíduos normais e com patologias do sistema nervoso central

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Desenvolvimento de uma interface de visualização de conectividade cerebral usando realidade virtual e controlo por gestos

A presente dissertação foi desenvolvida em colaboração com o Instituto de Biofísica e Engenharia Biomédica(IBEB/FCUL)

Segmentação do tecido tumoral cerebral em imagens de ressonância magnética

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Eletrónica Médica)

Arquitetura distribuída para análises multimodais de conectividade cerebral

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Informática Médica)

Memòria, reorganització cerebral evidenciada amb fMRI i hipocamp

Aquesta pretén ser una revisió general dels processos cognitius normals i de la capacitat de reorganització cerebral en cas de dany cerebral adquirit (lesions i malalties neurodegeneratives).

Evaluación de la conectividad cerebral bajo fármacos mediante análisis no lineal del EEG

Màster Oficial en Enginyeria Biomèdica

Hemisferio derecho y procesamiento léxico : efecto de la imagen y de la clase sintáctica.

El objetivo del trabajo es obtener evidencias a favor del carácter cuantitativo de la especialización hemisférica en procesamiento lingüístico. Nos planteamos estudiar diferencias hemisféricas en capacidad de acceso al léxico. Para ello utilizamos una tarea de decisión léxica: decidir si el estímulo presentado es o no palabra, esto es, comparar la secuencia de letras presentada con las unidades que forman el léxico. Estudio normativo: Participaron 310 sujetos, de los cuales 144 eran varones y 166 mujeres; todos eran estudiantes universitarios, con edades comprendidas entre los 18 y los 46 años. Estudio experimental: Participaron 127 sujetos, 62 varones y 65 mujeres, la media de edad era de 22,1 años. Se realizó en primer lugar un estudio normativo en el que una muestra amplia de sujetos evaluó el grado en que una palabra evocaba una imagen. El conjunto de nombres fue seleccinado previamente a partir de un diccionario de frecuencias del castellano. En el estudio experimental se utilizó un diseño factorial 2x2x3x2, con el tiempo de reacción y el índice de errores como variables dependientes. De las variables independientes, tres fueron factores intergrupo con los siguientes niveles: sexo (varón, mujer), clase sintáctica (nombres, verbos), imaginabilidad (alta imagen, media imagen y baja imagen), y un factor intragrupo, campo visual (campo visual derecho, campo visual izquierdo). Hubo otro factor, utilizado sólo con la clase sintáctica nombres: frecuencia silábica posicional (baja, alta). Las variables controladas fueron: secuencia de estímulos, preferencia manual, lateralización de estímulos, tiempo de exposición, efecto atencional, emisión de la respuesta, efecto de la práctica, local. Estudio normativo: Del 'Frequency Dictionary of Spanish Words' se seleccionaron 540 nombres y 227 verbos. Estudio experimental: Para la selección de los sujetos: test de lateralidad; para la fase experimental: 240 estímulos verbales, de ellos, la mitad eran palabras y la otra mitad pseudopalabras; para la presentación de los estímulos: ordenador personal; para la medida de las variables dependientes: teclado del ordenador; hoja de instrucciones. 1. La asimetría cerebral de los hemisferios cerebrales es un fenómeno de carácter relativo/cuantitativo, de forma que no existe una superioridad absoluta del hemisferio izquierdo para el procesamiento verbal; 2. La participación del hemisferio derecho en el procesamiento de material verbal puede ponerse de manifiesto mediante tareas de decisición léxica; 3. La capacidad de acceso al léxico por parte del hemisferio derecho está modulada por la clase sintáctica y por el grado de imagen de las palabras, al menos cuando la frecuencia léxica es alta o moderada; 4. El efecto de los factores imagen y clase sintáctica está, a su vez, modulado por el sexo de los sujetos; 5. En el caso de los varones, el hemisferio derecho tiene capacidades para realizar decisiones léxicas con nombres de alta o moderada imaginabilidad. También tiene acceso al léxico para el caso de verbos de alta imagen; 6. En el caso de las mujeres, el hemisferio derecho tiene capacidades para realizar decisiones léxicas con nombres de baja imaginabilidad y verbos de alta imagen.

Estudio de las capacidades lingüísticas del hemisferio cerebral derecho.

Estudiar las capacidades lingüísticas del hemisferio derecho con sujetos neurológicamente normales y procedimientos visuales. Investigación I: 189 sujetos, 127 varones y 62 mujeres. Investigación II: 48 sujetos, 24 varones y 24 mujeres. Investigación III: 32 estudiantes universitarios, 16 varones y 16 mujeres. Investigación IV: 48 sujetos, 24 varones y 24 mujeres. Investigación I: estudio normativo; Investigación II: diseño factorial 2x3x2x3, con TR, y el índice de errores, como variables dependientes. Los dos factores inter fueron el sexo y el grupo relativo a la imagen de la categoría palabras, alta, media o baja. Los dos factores intragrupo fueron el campo visual y la categoría o tipo de estímulo: palabras, pseudopalabras, no-palabras. Las variables controladas fueron: secuencia de estímulos, efecto atencional, emisión de respuestas, tiempo de exposición, lateralización del estímulo, lateralidad. Investigación III: diseño factorial 2x2x2x2 con dos factores intergrupo, sexo y modalidad de presentación y dos factores intragrupo: campo visual y tipo de juicio. Como variables dependientes se utilizó el TR y el IE. Las variables controladas fueron las mísmas que en la anterior investigación; además de la imagen, alta imagen, y tipicidad de los estímulos. Investigación IV: diseño factorial 2x3x2x2. Las variables dependientes: Tiempo de reacción y el índice de errores. Dos factores inter: sexo y modalidad de presentación. Los factores intragrupo fueron: campo visual y tipo de juicio. Las variables controladas fueron las mismas que en las investigaciones anteriores. En todos los casos se empleó una presentación unilateral. En las investigaciones III y IV el primer elemento lateralizado y el segundo central. Investigación II: a) en la categoría palabras, no hay diferencias entre los campos visuales, cuando se trata de nombres de uso frecuente y de alta imagen. Las palabras abstractas, sólo son procesadas por el hemisferio izquierdo; b) los resultados en la categoría pseudopalabras se observa ventajas en el hemisferio derecho; c) en la categoría no-palabras, no hay diferencias entre los campos visuales; d) se observa una mayor lateralización en los varones. Investigación III: existe superioridad del hemisferio derecho. En la realización de los juicios de pertenencia categorial. El hemisferio derecho es capaz de realizar categorizaciones, siempre que no sea de tipo verbal. Investigación IV: se comprueba la superioridad del hemisferio izquierdo en la realización de juicios de semejanza categorial. Hay diferencias entre los tipos de juicios. Aventajando los juicios afirmativos para la detección de las diferencias hemisféricas, así como la existencia de patrones diferentes de asimetría cerebral según el sexo con una mayor lateralización en los varones. En las variables de medida empleadas, los TR aparecen como menos sensibles que los índices de errores. En esta investigación se apoya la hipótesis cuantitativa de la diferenciación hemisférica.

Aproximación a la problemática de un paralítico cerebral en grado máximo.

Desarrollar educativa y sociálmente una nueva manera de tratar el tema del paralítico cerebral severo (sujeto de Educación Especial). Un niño paralítico cerebral en grado severo. Se utiliza una metodología cualitativa basada en la observación del desarrollo terapéutico de un caso concreto; permite diagnosticar el tipo de problemática que envuelve al paralítico cerebral severo y su prevención. Visitas a hogares de niños paralíticos cerebrales, a centros de rehabilitación. Entrevistas con padres, médicos, genetistas. Material fotográfico y sonoro. Estadísticas y gráficos. Historiales clínicos. 1) Existe a nivel social una desconexión real en el 'problema del subnormal' entre los verdaderos implicados, padres, familia, educadores, y entre los que habitualmente tienen u ostentan la representación oficial del problema. 2) Ante una falta general de información procedente de las auténticas fuentes, y bajo unos condicionantes, económicos, morales y políticos esencialmente, se crea una situación irreal de imagen ficticia, que imposibilita que el problema se afronte objetivamente y por lo tanto con un éxito sustancial. 3) Los profesionales adjuntos en el problema impedimos la resolución del mismo en cuanto no luchemos por acercarnos a él. 4) Creemos que es justo y lógico pensar en la muerte, cuando se ha luchado por vivir; se debe reflexionar en las causas del fracaso ante la vida, y comprometernos ante el fenómeno de la eutanasia. 5) Valorar la importancia de la prevención social, la única forma que hará disminuir el problema cuantitativamente. 6) En relación al sujeto estudiado señalamos la importancia del seguimiento de una terapia como facilitadora de posibles mejoras en el individuo deficiente.

Aplicações de redes neurais e neuro fuzzy em engenharia biomédica e agronomia

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Detección y seguimiento de objetos en vídeos de actividades de vida diaria para rehabilitación de pacientes con daño cerebral adquirido

Las técnicas de rehabilitación permiten la recuperación y mejora de las funciones dañadas o deterioradas y ayuda al paciente con DCA a adaptarse a su nueva situación. El avance tecnológico que se ha producido en las últimas décadas, ha impulsado la investigación en el diseño y desarrollo de nuevos modelos de rehabilitación. La tecnología de vídeo interactivo se convierte en un elemento de apoyo en estos nuevos modelos rehabilitadores. Se hace necesario desarrollar nuevos algoritmos de segmentación y seguimiento que permitan dotar de información adicional a los vídeos. En este trabajo se han implementado y evaluado dos métodos que permiten realizar la detección y el seguimiento de objetos de interés.

Análisis comparativo de algoritmos de aprendizaje para predecir la evolución de pacientes con Daño Cerebral Adquirido

ste trabajo presenta un análisis comparativo entre tres algoritmos de aprendizaje diferentes basados en Árboles de Decisión (C4.5) y Redes Neuronales Artificiales (Perceptrón Multicapa MLP y Red Neuronal de Regresión General GRNN) que han sido implementados con el objetivo de predecir los resultados de la rehabilitación cognitiva de personas con daño cerebral adquirido. En el análisis se han incluido datos demográficos del paciente, el perfil de afectación y los resultados provenientes de las tareas de rehabilitación ejecutadas por los pacientes. Los modelos han sido evaluados utilizando la base de datos del Institut Guttmann. El rendimiento de los algoritmos se midió a través del análisis de la especificidad, sensibilidad y exactitud en la precisión y el análisis de la matriz de confusión. Los resultados muestran que la implementación del C4.5 alcanzó una especificidad, sensibilidad y exactitud en la precisión del 98.43%, 83.77% y 89.42% respectivamente. El rendimiento del C4.5 fue significativamente superior al obtenido por el Perceptrón Multicapa y la Red de Regresión General.