DBIAB - BIIG - Book Chapters

Permanent URI for this collection

http://dspace.uc3m.es/handle/10016/9274

Browse

Now showing 1 - 20 of 70

L1-regularized reconstruction for traction force microscopy
(IEEE, 2016-06-16) Suñé Auñón, Alejandro; Peñas, Alvaro Jorge; Van Oosterwyck, Hans; Muñoz Barrutia, María Arrate
Traction Force Microscopy (TFM) is a technique widely used to recover cellular tractions from the deformation they cause in their surrounding substrate. Traction recovery is an ill-posed inverse problem that benefits of a regularization scheme constraining the solution. Typically, Tikhonov regularization is used but it is well known that L1-regularization is a superior alternative to solve this type of problems. For that, recent approaches have started to explore what could be their contribution to increase the sensitivity and resolution in the estimation of the exerted tractions. In this manuscript, we adapt the L1-regularization of the curl and divergence to 2D TFM and compare the recovered tractions on simulated and real data with those obtained using Tikhonov and L1-norm regularization.
Fluorescence multi-scale endoscopy and its applications in the study and diagnosis of gastro-intestinal diseases: set-up design and software implementation
(Spie- The International Society For Optical Engineering, 2015) Gómez García, Pablo Aurelio; Arranz, Alicia; Fresno, Manuel; Desco Menéndez, Manuel; Mahmood, Umar; Vaquero López, Juan José; Ripoll Lorenzo, Jorge
Endoscopy is frequently used in the diagnosis of several gastro-intestinal pathologies as Crohn disease, ulcerative colitis or colorectal cancer. It has great potential as a non-invasive screening technique capable of detecting suspicious alterations in the intestinal mucosa, such as inflammatory processes. However, these early lesions usually cannot be detected with conventional endoscopes, due to lack of cellular detail and the absence of specific markers. Due to this lack of specificity, the development of new endoscopy technologies, which are able to show microscopic changes in the mucosa structure, are necessary. We here present a confocal endomicroscope, which in combination with a wide field fluorescence endoscope offers fast and specific macroscopic information through the use of activatable probes and a detailed analysis at cellular level of the possible altered tissue areas. This multi-modal and multi-scale imaging module, compatible with commercial endoscopes, combines near-infrared fluorescence (NIRF) measurements (enabling specific imaging of markers of disease and prognosis) and confocal endomicroscopy making use of a fiber bundle, providing a cellular level resolution. The system will be used in animal models exhibiting gastro-intestinal diseases in order to analyze the use of potential diagnostic markers in colorectal cancer. In this work, we present in detail the set-up design and the software implementation in order to obtain simultaneous RGB/NIRF measurements and short confocal scanning times.
Reconstrucción de Tomografía Óptica Difusiva por Fluorescencia usando Compressed Sensing Split Bregman
(Centro de Cirugía de Mínima Invasión Jesús Usón, 2011) Chamorro Servent, Judit; Abascal, Juan; Aguirre, Juan; Vaquero López, Juan José; Desco Menéndez, Manuel
La Tomografía Óptica Difusiva por Fluorescencia (fDOT) es una técnica de imagen molecular que proporciona, de manera no invasiva e in-vivo, la distribución espacial 3D de la concentración de sondas fluorescentes en animales pequeños. Para asegurar una buena resolución de imagen es necesario un gran número de medidas. En este trabajo, proponemos el uso de 'Compressed Sensing Split Bregman' (CS-SB) como método de reconstrucción para fDOT. Por un lado, la técnica 'Compressed Sensing' permite reconstruir señales submuestreadas en ciertas condiciones. Por otro lado, la reciente aparición del método Split Bregman facilita la solución del problema, en términos de coste computacional. Presentamos resultados de CS-SB aplicado a datos simulados de fDOT. Aunque este es un trabajo preliminar, orientado al uso de CS-SB como método de reconstrucción, el objetivo final, en un futuro próximo, es utilizar dicho método para demostrar qué tanto por ciento de fuentes podemos ignorar en el momento de la adquisición manteniendo una buena calidad de imagen con una adquisición acelerada.
Uso del método de Split Bregman para la resolución del problema de compressed sensing en imagen de resonancia magnética dinámica cardiaca para pequeño animal
(Centro De Cirugía De Mínima Invasión Jesús Usón, 2011) Montesisnos, P.; Abascal, Juan; Chamorro Servent, Judit; Chavarrías, Cristina; Benito, M.; Vaquero López, Juan José; Desco Menéndez, Manuel
La imagen dinámica de resonancia magnética en pequeño animal es una herramienta muy importante en el estudio de enfermedades cardiovasculares. La reducción de los tiempos de adquisición de este tipo de imágenes es especialmente relevante para la obtención de imágenes de calidad con una buena resolución espacial y temporal. Actualmente existen diversas técnicas de aceleración que permiten reducir estos tiempos de adquisición, entre ellas la técnica de 'compressed sensing', en auge en los últimos años. Ésta técnica permite la reconstrucción de una imagen a partir de datos submuestreados mediante el uso de métodos de reconstrucción no lineales que minimizan la variación total de la imagen. Recientemente el método de Split Bregman ha demostrado ser computacionalmente eficiente para resolver este problema en imágenes de resonancia magnética. En este trabajo se amplía la metodología de Split Bregman para minimizar la variación total espacial y temporal en imágenes dinámicas, y se aplica a imágenes cardiacas de pequeño animal. Los resultados preliminares muestran que con la metodología propuesta es posible reducir el tiempo de adquisición hasta 5 veces manteniendo la calidad de imagen.
Interfaz de usuario para la adquisición de datos, calibración y reconstrucción de imagen para tomógrafo SPECT de animales de laboratorio
(Centro De Cirugía De Mínima Invasión Jesús Usón, 2011) Olmo Castillo, Aurora María; Zamora, G.; García Villalba, Carmen; García Vázquez, Verónica; Abella García, Mónica; Vaquero López, Juan José; Desco Menéndez, Manuel; Lage Negro, Eduardo
Implementación modular en GPU de un algoritmo de reconstrucción basado en FDK para tomografía de rayos X
(Centro De Cirugía De Mínima Invasión Jesús Usón, 2011) Liria, Ernesto; García, J.; Abella García, Mónica; Isaila, Florin Daniel; Carretero Pérez, Jesús; Desco Menéndez, Manuel
La mayoría de los tomógrafos para pequeño animal están basados en geometría cone-beam con un detector plano orbitando en trayectoria circular. La reconstrucción en estos sistemas se suele hacer con un método basado en el algoritmo propuesto por Feldkamp, Davis y Kress (FDK). El aumento de velocidad en la reconstrucción para tomografía rayos X (TAC) es un requisito fundamental para la extensión de su aplicación clínica. En este artículo se presenta una implementación eficiente de unn algoritmo de reconstrucción modular basado en FDK, que aprovecha las posibilidades de cómputo paralelo y la eficiente interpolación provista en CUDA al usar memoria de texturas que ofrecen las unidades de procesamiento gráfico (GPU). El algoritmo implementado, probado en un micro-TAC de alta resolución, presenta una mejora de velocidad de ejecución de la etapa de retroproyección de un factor 40x respecto a una implementación secuencial de referencia escrita e C, manteniéndose en todo mmento la calidad de la reconstrucción.
Herramienta para la segmentación estructuras óseas de embriones de ave in ovo en imágenes de CT
(Centro De Cirugía De Mínima Invasión Jesús Usón, 2011) García Villalba, Carmen; Balaban, Evan; Desco Menéndez, Manuel; Vaquero López, Juan José
Se presenta un método para la segmentación de estructuras óseas de embriones de ave in ovo en imágenes CT. La cuantificación del volumen de las distintas estructuras segmentadas puede ser útil como medida del desarrollo del embrión dentro del huevo. Se ha validado para un amplio conjunto de imágenes de embriones de diferentes días de incubación.
Corrección empírica de primer y segundo orden del artefacto de endurecimiento de haz en imágenes de micro-TAC
(Centro De Cirugía De Mínima Invasión Jesús Usón, 2011) Molina, Claudia de; Abella García, Mónica; Sisniega, Alejandro; Vaquero López, Juan José; Desco Menéndez, Manuel
Los artefactos más comunes producidos por el fenómeno físico de endurecimiento de haz en imágenes obtenidas en un tomógrafo de rayos X son: "cupping", en volúmenes homogéneos y bandas oscuras, en presencia de objetos densos. Este trabajo presenta un esquema de corrección completa para ambos artefactos: un primer paso implementa una corrección de "cupping" por medio de un método de corrección de primer orden: linealización sobre los datos de proyección; en un segundo paso, se aplica un algoritmo de corrección de segundo orden sobre la imagen ya reconstruida para eliminar las bandas oscuras. En todo el proceso se elimina la necesidad de conocer el espectro de la fuente de rayos X. Ambos métodos han sido validados en maniquíes homogéneos y heterogéneos compuestos por dos materiales distintos, además de estudios de pequeño animal (ratas y ratones de laboratorio) adquiridos en un tomógrafo de rayos X para pequeños animales (micro-TAC) diseñado en el laboratorio. Los resultados demuestran la validez del esquema de corrección.
Estudio de la viabilidad de la integración de un Sistema de Posicionamiento Óptico en el entorno de la radioterapia intraoperatoria
(Centro De Cirugía De Mínima Invasión Jesús Usón, 2011) García-Vázquez, Verónica; Marinetto Carrillo, Eugenio Daniel; Santos Miranda, Juan Antonio; Calvo, Felipe A.; Camacho-Márquez, Ángela; Desco Menéndez, Manuel; Pascau González-Garzón, Javier
La radioterapia intraoperatoria (RIO) es una técnica que combina cirugía y radioterapia, que se aplica en pacientes con tumores para los que se ha indicado su resección y con alto riesgo recidivante. El oncólogo radioterapeuta planifica esta intervención sobre una imagen TAC del paciente. Sin embargo, los datos del escenario real encontrado en la sala de tratamiento (posición y orientación del aplicador respecto del paciente y energía del haz) se deben recoger de forma manual para actualizar la planificación. Esta información es muy valiosa para la documentación y posterior seguimiento del procedimiento realizado. En este trabajo se evalúa la viabilidad de la integración de un sistema de posicionamiento óptico en el entorno RIO, y su precisión para localizar el aplicador sobre la imagen de planificación.
Algoritmo Level-set para segmentación hepática en TAC con Restricciones de curvatura local
(Centro De Cirugía De Mínima Invasión Jesús Usón., 2011) Jimémez Carretero, Daniel; Fernández de Manuel, Laura; Pascau González-Garzón, Javier; Tellado, José M.; Ramón, Enrique; Desco Menéndez, Manuel; Santos, Andrés; Ledesma Carbayo, María Jesús
La cirugía hepática avanzada requiere de una precisa planificación pre-operatoria en la que tanto la segmentación anatómica como la estimación del volumen hepático remanente tienen una importancia clave a la hora de evitar un fallo hepático postoperatorio. En este contexto, algoritmos basados en level-sets han logrado mejores resultados que otros, especialmente cuando se tratan casos con un parénquima hepático alterado o en hígados previamente resecados. Con el objetivo de mejorar las medidas de volumen hepático funcional, se proponen dos estrategias para completar y realzar algoritmos previos basados en level-sets: una estrategia optimizada multi-resolución con curvatura adaptativa y corrección/refinamiento de detalles, junto con un paso semiautomático adicional en el que se imponen restricciones de curvatura local. Los resultados muestran segmentaciones robustas y precisas, especialmente en estructuras alargadas, detectando lesiones internas y evitando fugas o escapes a estructuras proximales.
Complete Scheme for Beam Hardening Correction in Small Animal Computed Tomography
(Ieee - The Institute Of Electrical And Electronics Engineers, Inc, 2012) Molina, Claudia de; Sisniega, Alejandro; Desco Menéndez, Manuel; Vaquero López, Juan José; Abella García, Mónica
CT images are often affected by beam hardening artifacts (cupping and dark streaks) due to the polyenergetic nature of the X-ray beam. FDK is still the favorite reconstruction algorithm in commercial X-ray CT scanners. Several correction methods have been proposed to be included in an FDK reconstruction scheme. We present a complete correction scheme for beam hardening artifact correction in an FDK based reconstruction scenario that accounts for both cupping artifact and dark streaks avoiding the need of the knowledge of the source spectrum. The proposed correction scheme includes two steps: a linearization step of projection data and a post-reconstruction step. The first step assumes that the object is homogeneous and uses a linearization function that is calculated empirically in a previous calibration process with a simple phantom. The second step is based in the theoretical study described in Joseph and Spital, and calculates the non-linear beam-hardening distortion from a bone segmentation of the reconstructed image. The proposed correction scheme was evaluated in real studies acquired with a cone-beam micro-CT scanner: three polymethylmethacrylate cylinders (3, 4, and 6 cm diameter), a two-density cylindrical phantom and three rodent studies. Results show an average cupping reduction of 84 % in the three homogeneous phantoms and an average dark streaks reduction of 80 % in the two-density phantom and the three rodent studies. The proposed method could be incorporated easily in any cone beam micro-CT scanner and substitutes the need of the knowledge of the spectrum by empirical measurements and two parameters. Since it is based on empirical measurements, we expected to correct the artifacts derived from scattering.
Assessment of New Photosensors for Fast Timing Applications with Large Scintillator Detectors
(Ieee - The Institute Of Electrical And Electronics Engineers, Inc, 2011) Fraile, L. M.; Mach, H.; Olaizola, B.; Paziy, V.; Picado, E.; Sánchez, J. J.; Udías, José Manuel; Vaquero López, Juan José; Vedia, V.
The measurement of absolute nuclear transition probabilities is a very sensitive tool to study the structure of the atomic nucleus. Direct access to transition rates can be achieved via the lifetime of the nuclear levels de-populated in radioactive decay. The Advanced Time-Delayed (ATD) method, or Fast Timing, is a well-established technique to measure lifetimes down to a few ps. The development of the technique was based on the use of BaF_2 detectors, but a recent major breakthrough occurred with the introduction of LaBr_3(Ce) crystals, uniting excellent time response with much superior energy resolution than BaF_2 crystals. Relatively large LaBr_3(Ce) cylindrical detectors of typically 1.5"×1.5" are employed for fast timing, in combination with fast 2-inch photomultiplier tubes from Photonis such as the linear focused 8-stage XP20D0. Another option for a 2-inch fast phototube is the 8-stage Hamamatsu R9779, whose timing properties have already been tested with small LSO crystals. New possibilities are also offered by novel photosensors such as silicon photomultipliers, which are intrinsically fast. In this work we have investigated the performance of the Hamamatsu R9779 photomultiplier tube, and the viability of CeBr_3 crystals for fast-timing applications.
Viabilidad del uso de fotodetectores SiPM en sistemas PET/IRM
(Universidad Carlos III de Madrid, 2010) Vaquero López, Juan José; España, Samuel; Picado, E.; Cal González, Jacobo; Fraile, L. M.; Herraiz, J. L.; Desco Menéndez, Manuel; Udías, José Manuel; Vicente, Esther
El fotomultiplicador de silicio (SiPM) es un detector compuesto por una matriz de fotodiodos funcionando en modo avalancha, también conocido como modo Geiger. Se trata de un dispositivo de alta eficiencia en la detección de fotones que, por tratarse de un semiconductor, es compacto, teóricamente insensible a campos magnéticos, y de bajo coste. Además, la electrónica asociada es sencilla y podría integrarse en el mismo dispositivo. Estas características hacen de este componente un buen candidato para construir detectores de rayos gamma para imagen médica nuclear (PET y SPECT). En este trabajo se evalúan las prestaciones de tres detectores diferentes de 1 x 1 mm2 y una matriz de 2 x 2 SiPMs (6 x 6 mm² área activa total). Se ha analizado la dependencia de los parámetros operacionales del dispositivo en presencia de campos magnéticos estáticos intensos y de los campos de radiofrecuencia generados por un sistema de IRM preclínico, en condiciones extremas de trabajo en cuanto a intensidad y frecuencia de conmutación de los gradientes de campo. Al mismo tiempo se ha verificado que la presencia de estos dispositivos en la zona de imagen de la RM no afecta a la calidad de la misma.
Validation of peneloPET simulations of the Biograph PET/CT scanner with TOF capabilities
(Universidad Carlos III de Madrid, 2010) Abushab, K. M.; Herraiz, J. L.; España, Samuel; Vaquero López, Juan José; Udías, José Manuel; Vicente, Esther
Monte Carlo simulations are currently widely used in positron emission tomography (PET) imaging for optimizing detector design and acquisition protocols, and for developing and assessing corrections and reconstruction methods. PeneloPET is a Monte Carlo code for PET simulations with basic components of detector geometry, acquisition electronics and material and source definitions. The purpose of the present study was to validate the simulations of the Siemens Biograph PET/CT scanner with TOF capabilities performed with peneloPET. The scanner components incorporate four rings of 48 detector blocks. Each block comprises 13 × 13 matrix of 4 × 4 × 20 mm3. Results were compared with experimental data obtained in accordance with the NEMA-2007 performance measurement protocol done by Jakoby, et al.
Segmentación automática de estudios PET cardíacos con ¹³NH_3 basada en correlación iterativa
(Universidad Carlos III de Madrid, 2010) Mateos-Pérez, José M.; García Villalba, Carmen; Abella García, Mónica; Desco Menéndez, Manuel; Vaquero López, Juan José
La obtención de la función de entrada en estudios dinámicos de corazón a partir de la imagen PET se realiza habitualmente mediante la selección previa de una región de interés (ROI) o utilizando procedimientos de análisis factorial para encontrar aquellas curvas actividad/tiempo que mejor se adaptan a la función de entrada. En este trabajo se presenta un método novedoso de segmentación automática y obtención de la función de entrada que utiliza mapas de correlación calculados sobre estudios dinámicos que emplean ¹³NH_3 como trazador. Partiendo de un modelo analítico inicial, se buscan las curvas temporales más parecidas en el estudio real empleando la correlación. Tomando como datos estas curvas se calculan nuevos modelos con los que realizar sucesivas iteraciones. El resultado final es tanto una segmentación automática como la curva de actividad/tiempo de cada región segmentada.
Corrección de atenuación de imágenes PET usando datos de TAC en el escáner para animales pequeños Argus PET/CT
(Universidad Carlos III de Madrid, 2010) Vicente, Esther; Udías, Ángel; López Herraiz, Joaquín; Desco Menéndez, Manuel; Vaquero López, Juan José; Udías, José Manuel
Existen diversos efectos físicos que degradan la calidad de la imagen PET, como por ejemplo la atenuación que sufren los fotones al atravesar el cuerpo en estudio. Este efecto reduce el número de fotones detectados, pero puede corregirse si se dispone de información anatómica del objeto. En este trabajo se describe la corrección de atenuación basada en una imagen TAC para el escáner de animales pequeños Argus PET/CT con imágenes PET reconstruidas con el algoritmo iterativo 3DOSEM.
Cuantificación del infarto de miocardio en imágenes PET mediante mapas polares
(Universidad Carlos III de Madrid, 2010) García Villalba, Carmen; Cusso Mula, Lorena; Pascau González-Garzón, Javier; Desco Menéndez, Manuel; Vaquero López, Juan José
El análisis de la imagen de miocardio en cardiología nuclear es una herramienta muy importante para la valoración de la enfermedad coronaria, dado que permite la cuantificación objetiva de la extensión y de la intensidad del infarto de miocardio. En este trabajo se presenta una herramienta que permite realizar dicha cuantificación mediante el uso de mapas polares tanto estáticos como dinámicos, resultantes del análisis de la imagen PET que se viene realizando en los pacientes. Esta aproximación es una alternativa que permite la visualización integral del infarto en vez de requerir una segmentación (manual o asistida) de todas las rodajas tomográficas que componen el estudio.
Aceleración de un Programa de Reconstrucción Iterativa para PET mediante el uso de GPUs
(Universidad Carlos III de Madrid, 2010) Herráiz, J. L.; España, Samuel; Herranz, Elena; Desco Menéndez, Manuel; Vaquero López, Juan José; Udías, José Manuel
En este trabajo se muestran los principales pasos seguidos para modificar el programa de reconstrucción de imagen tomográfica FIRST (Fast Iterative Reconstruction Software for (PET) Tomography) de forma que las partes de la reconstrucción que requieren un mayor tiempo de cálculo (proyección y retroproyección) puedan ser ejecutadas en las unidades de procesamiento gráfico (GPUs) de un ordenador. En la actualidad, las GPUs superan a las CPUs en capacidad de cómputo en paralelo,. El código original ha sido reescrito en C con extensiones de CUDA, buscando en todo momento hacer un uso óptimo de las propiedades de la GPU. De esta forma se ha logrado reducir el tiempo requerido para realizar cada reconstrucción en un factor mayor de 70. Esta mejora tan notable en el tiempo de reconstrucción abre la puerta a un uso más generalizado de este tipo de métodos iterativos.
Optimal multiresolution 3D level-set method for liver segmentation incorporating local curvature constraints
(Ieee - The Institute Of Electrical And Electronics Engineers, Inc, 2011) Jiménez Carretero, Daniel; Fernández de Manuel, Laura; Pascau González-Garzón, Javier; Tellado, José M.; Ramón, Enrique; Desco Menéndez, Manuel; Santos, Andrés; Ledesma Carbayo, María Jesús
Advanced liver surgery requires a precise pre-operative planning, where liver segmentation and remnant liver volume are key elements to avoid post-operative liver failure. In that context, level-set algorithms have achieved better results than others, especially with altered liver parenchyma or in cases with previous surgery. In order to improve functional liver parenchyma volume measurements, in this work we propose two strategies to enhance previous level-set algorithms: an optimal multi-resolution strategy with fine details correction and adaptive curvature, as well as an additional semiautomatic step imposing local curvature constraints. Results show more accurate segmentations, especially in elongated structures, detecting internal lesions and avoiding leakages to close structures.
High-Resolution Dynamic Cardiac MRI on Small Animals Using Reconstruction Based on Split Bregman Methodology
(Ieee - The Institute Of Electrical And Electronics Engineers, Inc, 2011) Montesinos, Philippe; Abascal, Juan; Chamorro Servent, Judit; Chavarrías, Cristina; Benito, M.; Vaquero López, Juan José; Desco Menéndez, Manuel
Dynamic cardiac magnetic resonance imaging in small animals is an important tool in the study of cardiovascular diseases. The reduction of the long acquisition times required for cardiovascular applications is crucial to achieve good spatiotemporal resolution and signal-to-noise ratio. Nowadays there are many acceleration techniques which can reduce acquisition time, including compressed sensing technique. Compressed sensing allows image reconstruction from undersampled data, by means of a non linear reconstruction which minimizes the total variation of the image. The recently appeared Split Bregman methodology has proved to be more computationally efficient to solve this problem than classic optimization methods. In the case of dynamic magnetic resonance imaging, compressed sensing can exploit time sparsity by the minimization of total variation across both space and time. In this work, we propose and validate the Split Bregman method to minimize spatial and time total variation, and apply this method to accelerate cardiac cine acquisitions in rats. We found that applying a quasi-random variable density pattern along the phase-encoding direction, accelerations up to a factor 5 are possible with low error. In the future, we expect to obtain higher accelerations using spatiotemporal undersampling.

Browse

Recent Submissions