Cone beam CT of the musculoskeletal system : clinical applications

Objectives: The aim of this pictorial review is to illustrate the use of CBCT in a broad spectrum of musculoskeletal disorders and to compare its diagnostic merit with other imaging modalities, such as conventional radiography (CR), Multidetector Computed Tomography (MDCT) and Magnetic Resonance Imaging. Background: Cone Beam Computed Tomography (CBCT) has been widely used for dental imaging for over two decades. Discussion: Current CBCT equipment allows use for imaging of various musculoskeletal applications. Because of its low cost and relatively low irradiation, CBCT may have an emergent role in making a more precise diagnosis, assessment of local extent and follow-up of fractures and dislocations of small bones and joints. Due to its exquisite high spatial resolution, CBCT in combination with arthrography may be the preferred technique for detection and local staging of cartilage lesions in small joints. Evaluation of degenerative joint disorders may be facilitated by CBCT compared to CR, particularly in those anatomical areas in which there is much superposition of adjacent bony structures. The use of CBCT in evaluation of osteomyelitis is restricted to detection of sequestrum formation in chronic osteomyelitis. Miscellaneous applications include assessment of (symptomatic) variants, detection and characterization of tumour and tumour-like conditions of bone. Teaching Points: Review the spectrum of MSK disorders in which CBCT may be complementary to other imaging techniques. Compare the advantages and drawbacks of CBCT compared to other imaging techniques. Define the present and future role of CBCT in musculoskeletal imaging

Computer- and robot-assisted Medical Intervention

Medical robotics includes assistive devices used by the physician in order to make his/her diagnostic or therapeutic practices easier and more efficient. This chapter focuses on such systems. It introduces the general field of Computer-Assisted Medical Interventions, its aims, its different components and describes the place of robots in that context. The evolutions in terms of general design and control paradigms in the development of medical robots are presented and issues specific to that application domain are discussed. A view of existing systems, on-going developments and future trends is given. A case-study is detailed. Other types of robotic help in the medical environment (such as for assisting a handicapped person, for rehabilitation of a patient or for replacement of some damaged/suppressed limbs or organs) are out of the scope of this chapter.Comment: Handbook of Automation, Shimon Nof (Ed.) (2009) 000-00

Doctor of Philosophy

dissertationX-ray computed tomography (CT) is a widely popular medical imaging technique that allows for viewing of in vivo anatomy and physiology. In order to produce high-quality images and provide reliable treatment, CT imaging requires the precise knowledge of t

Gait analysis methods in rehabilitation

Introduction: Brand's four reasons for clinical tests and his analysis of the characteristics of valid biomechanical tests for use in orthopaedics are taken as a basis for determining what methodologies are required for gait analysis in a clinical rehabilitation context. Measurement methods in clinical gait analysis: The state of the art of optical systems capable of measuring the positions of retro-reflective markers placed on the skin is sufficiently advanced that they are probably no longer a significant source of error in clinical gait analysis. Determining the anthropometry of the subject and compensating for soft tissue movement in relation to the under-lying bones are now the principal problems. Techniques for using functional tests to determine joint centres and axes of rotation are starting to be used successfully. Probably the last great challenge for optical systems is in using computational techniques to compensate for soft tissue measurements. In the long term future it is possible that direct imaging of bones and joints in three dimensions (using MRI or fluoroscopy) may replace marker based systems. Methods for interpreting gait analysis data: There is still not an accepted general theory of why we walk the way we do. In the absence of this, many explanations of walking address the mechanisms by which specific movements are achieved by particular muscles. A whole new methodology is developing to determine the functions of individual muscles. This needs further development and validation. A particular requirement is for subject specific models incorporating 3-dimensional imaging data of the musculo-skeletal anatomy with kinematic and kinetic data. Methods for understanding the effects of intervention: Clinical gait analysis is extremely limited if it does not allow clinicians to choose between alternative possible interventions or to predict outcomes. This can be achieved either by rigorously planned clinical trials or using theoretical models. The evidence base is generally poor partly because of the limited number of prospective clinical trials that have been completed and more such studies are essential. Very recent work has started to show the potential of using models of the mechanisms by which people with pathology walk in order to simulate different potential interventions. The development of these models offers considerable promise for new clinical applications of gait analysis

Advanced tracking and image registration techniques for intraoperative radiation therapy

Mención Internacional en el título de doctorIntraoperative electron radiation therapy (IOERT) is a technique used to deliver radiation to the surgically opened tumor bed without irradiating healthy tissue. Treatment planning systems and mobile linear accelerators enable clinicians to optimize the procedure, minimize stress in the operating room (OR) and avoid transferring the patient to a dedicated radiation room. However, placement of the radiation collimator over the tumor bed requires a validation methodology to ensure correct delivery of the dose prescribed in the treatment planning system. In this dissertation, we address three well-known limitations of IOERT: applicator positioning over the tumor bed, docking of the mobile linear accelerator gantry with the applicator and validation of the dose delivery prescribed. This thesis demonstrates that these limitations can be overcome by positioning the applicator appropriately with respect to the patient’s anatomy. The main objective of the study was to assess technological and procedural alternatives for improvement of IOERT performance and resolution of problems of uncertainty. Image-to-world registration, multicamera optical trackers, multimodal imaging techniques and mobile linear accelerator docking are addressed in the context of IOERT. IOERT is carried out by a multidisciplinary team in a highly complex environment that has special tracking needs owing to the characteristics of its working volume (i.e., large and prone to occlusions), in addition to the requisites of accuracy. The first part of this dissertation presents the validation of a commercial multicamera optical tracker in terms of accuracy, sensitivity to miscalibration, camera occlusions and detection of tools using a feasible surgical setup. It also proposes an automatic miscalibration detection protocol that satisfies the IOERT requirements of automaticity and speed. We show that the multicamera tracker is suitable for IOERT navigation and demonstrate the feasibility of the miscalibration detection protocol in clinical setups. Image-to-world registration is one of the main issues during image-guided applications where the field of interest and/or the number of possible anatomical localizations is large, such as IOERT. In the second part of this dissertation, a registration algorithm for image-guided surgery based on lineshaped fiducials (line-based registration) is proposed and validated. Line-based registration decreases acquisition time during surgery and enables better registration accuracy than other published algorithms. In the third part of this dissertation, we integrate a commercial low-cost ultrasound transducer and a cone beam CT C-arm with an optical tracker for image-guided interventions to enable surgical navigation and explore image based registration techniques for both modalities. In the fourth part of the dissertation, a navigation system based on optical tracking for the docking of the mobile linear accelerator to the radiation applicator is assessed. This system improves safety and reduces procedure time. The system tracks the prescribed collimator location to solve the movements that the linear accelerator should perform to reach the docking position and warns the user about potentially unachievable arrangements before the actual procedure. A software application was implemented to use this system in the OR, where it was also evaluated to assess the improvement in docking speed. Finally, in the last part of the dissertation, we present and assess the installation setup for a navigation system in a dedicated IOERT OR, determine the steps necessary for the IOERT process, identify workflow limitations and evaluate the feasibility of the integration of the system in a real OR. The navigation system safeguards the sterile conditions of the OR, clears the space available for surgeons and is suitable for any similar dedicated IOERT OR.La Radioterapia Intraoperatoria por electrones (RIO) consiste en la aplicación de radiación de alta energía directamente sobre el lecho tumoral, accesible durante la cirugía, evitando radiar los tejidos sanos. Hoy en día, avances como los sistemas de planificación (TPS) y la aparición de aceleradores lineales móviles permiten optimizar el procedimiento, minimizar el estrés clínico en el entorno quirúrgico y evitar el desplazamiento del paciente durante la cirugía a otra sala para ser radiado. La aplicación de la radiación se realiza mediante un colimador del haz de radiación (aplicador) que se coloca sobre el lecho tumoral de forma manual por el oncólogo radioterápico. Sin embargo, para asegurar una correcta deposición de la dosis prescrita y planificada en el TPS, es necesaria una adecuada validación de la colocación del colimador. En esta Tesis se abordan tres limitaciones conocidas del procedimiento RIO: el correcto posicionamiento del aplicador sobre el lecho tumoral, acoplamiento del acelerador lineal con el aplicador y validación de la dosis de radiación prescrita. Esta Tesis demuestra que estas limitaciones pueden ser abordadas mediante el posicionamiento del aplicador de radiación en relación con la anatomía del paciente. El objetivo principal de este trabajo es la evaluación de alternativas tecnológicas y procedimentales para la mejora de la práctica de la RIO y resolver los problemas de incertidumbre descritos anteriormente. Concretamente se revisan en el contexto de la radioterapia intraoperatoria los siguientes temas: el registro de la imagen y el paciente, sistemas de posicionamiento multicámara, técnicas de imagen multimodal y el acoplamiento del acelerador lineal móvil. El entorno complejo y multidisciplinar de la RIO precisa de necesidades especiales para el empleo de sistemas de posicionamiento como una alta precisión y un volumen de trabajo grande y propenso a las oclusiones de los sensores de posición. La primera parte de esta Tesis presenta una exhaustiva evaluación de un sistema de posicionamiento óptico multicámara comercial. Estudiamos la precisión del sistema, su sensibilidad a errores cometidos en la calibración, robustez frente a posibles oclusiones de las cámaras y precisión en el seguimiento de herramientas en un entorno quirúrgico real. Además, proponemos un protocolo para la detección automática de errores por calibración que satisface los requisitos de automaticidad y velocidad para la RIO demostrando la viabilidad del empleo de este sistema para la navegación en RIO. Uno de los problemas principales de la cirugía guiada por imagen es el correcto registro de la imagen médica y la anatomía del paciente en el quirófano. En el caso de la RIO, donde el número de posibles localizaciones anatómicas es bastante amplio, así como el campo de trabajo es grande se hace necesario abordar este problema para una correcta navegación. Por ello, en la segunda parte de esta Tesis, proponemos y validamos un nuevo algoritmo de registro (LBR) para la cirugía guiada por imagen basado en marcadores lineales. El método propuesto reduce el tiempo de la adquisición de la posición de los marcadores durante la cirugía y supera en precisión a otros algoritmos de registro establecidos y estudiados en la literatura. En la tercera parte de esta tesis, integramos un transductor de ultrasonido comercial de bajo coste, un arco en C de rayos X con haz cónico y un sistema de posicionamiento óptico para intervenciones guiadas por imagen que permite la navegación quirúrgica y exploramos técnicas de registro de imagen para ambas modalidades. En la cuarta parte de esta tesis se evalúa un navegador basado en el sistema de posicionamiento óptico para el acoplamiento del acelerador lineal móvil con aplicador de radiación, mejorando la seguridad y reduciendo el tiempo del propio acoplamiento. El sistema es capaz de localizar el colimador en el espacio y proporcionar los movimientos que el acelerador lineal debe realizar para alcanzar la posición de acoplamiento. El sistema propuesto es capaz de advertir al usuario de aquellos casos donde la posición de acoplamiento sea inalcanzable. El sistema propuesto de ayuda para el acoplamiento se integró en una aplicación software que fue evaluada para su uso final en quirófano demostrando su viabilidad y la reducción de tiempo de acoplamiento mediante su uso. Por último, presentamos y evaluamos la instalación de un sistema de navegación en un quirófano RIO dedicado, determinamos las necesidades desde el punto de vista procedimental, identificamos las limitaciones en el flujo de trabajo y evaluamos la viabilidad de la integración del sistema en un entorno quirúrgico real. El sistema propuesto demuestra ser apto para el entorno RIO manteniendo las condiciones de esterilidad y dejando despejado el campo quirúrgico además de ser adaptable a cualquier quirófano similar.Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y ComunicacionesPresidente: Raúl San José Estépar.- Secretario: María Arrate Muñoz Barrutia.- Vocal: Carlos Ferrer Albiac

Advances in navigation and intraoperative imaging for intraoperative electron radiotherapy

Mención Internacional en el título de doctorEsta tesis se enmarca dentro del campo de la radioterapia y trata específicamente sobre la radioterapia intraoperatoria (RIO) con electrones. Esta técnica combina la resección quirúrgica de un tumor y la radiación terapéutica directamente aplicada sobre el lecho tumoral post-resección o sobre el tumor no resecado. El haz de electrones de alta energía es colimado y conducido por un aplicador específico acoplado a un acelerador lineal. La planificación de la RIO con electrones es compleja debido a las modificaciones geométricas y anatómicas producidas por la retracción de estructuras y la eliminación de tejidos cancerosos durante la cirugía. Actualmente, no se dispone del escenario real en este tipo de tratamientos (por ejemplo, la posición/orientación del aplicador respecto a la anatomía del paciente o las irregularidades en la superficie irradiada), sólo de una estimación grosso modo del tratamiento real administrado al paciente. Las imágenes intraoperatorias del escenario real durante el tratamiento (concretamente imágenes de tomografía axial computarizada [TAC]) serían útiles no sólo para la planificación intraoperatoria, sino también para registrar y evaluar el tratamiento administrado al paciente. Esta información es esencial en estudios prospectivos. En esta tesis se evaluó en primer lugar la viabilidad de un sistema de seguimiento óptico de varias cámaras para obtener la posición/orientación del aplicador en los escenarios de RIO con electrones. Los resultados mostraron un error de posición del aplicador inferior a 2 mm (error medio del centro del bisel) y un error de orientación menor de 2º (error medio del eje del bisel y del eje longitudinal del aplicador). Estos valores están dentro del rango propuesto por el Grupo de Trabajo 147 (encargo del Comité de Terapia y del Subcomité para la Mejora de la Garantía de Calidad y Resultados de la Asociación Americana de Físicos en Medicina [AAPM] para estudiar en radioterapia externa la exactitud de la localización con métodos no radiográficos, como los sistemas infrarrojos). Una limitación importante de la solución propuesta es que el aplicador se superpone a la imagen preoperatoria del paciente. Una imagen intraoperatoria proporcionaría información anatómica actualizada y permitiría estimar la distribución tridimensional de la dosis. El segundo estudio específico de esta tesis evaluó la viabilidad de adquirir con un TAC simulador imágenes TAC intraoperatorias de escenarios reales de RIO con electrones. No hubo complicaciones en la fase de transporte del paciente utilizando la camilla y su acople para el transporte, o con la adquisición de imágenes TAC intraoperatorias en la sala del TAC simulador. Los estudios intraoperatorios adquiridos se utilizaron para evaluar la mejora obtenida en la estimación de la distribución de dosis en comparación con la obtenida a partir de imágenes TAC preoperatorias, identificando el factor dominante en esas estimaciones (la región de aire y las irregularidades en la superficie, no las heterogeneidades de los tejidos). Por último, el tercer estudio específico se centró en la evaluación de varias tecnologías TAC de kilovoltaje, aparte del TAC simulador, para adquirir imágenes intraoperatorias con las que estimar la distribución de la dosis en RIO con electrones. Estos dispositivos serían necesarios en el caso de disponer de aceleradores lineales portátiles en el quirófano ya que no se aprobaría mover al paciente a la sala del TAC simulador. Los resultados con un maniquí abdominal mostraron que un TAC portátil (BodyTom) e incluso un acelerador lineal con un TAC de haz de cónico (TrueBeam) serían adecuados para este propósito.This thesis is framed within the field of radiotherapy, specifically intraoperative electron radiotherapy (IOERT). This technique combines surgical resection of a tumour and therapeutic radiation directly applied to a post-resection tumour bed or to an unresected tumour. The high-energy electron beam is collimated and conducted by a specific applicator docked to a linear accelerator (LINAC). Dosimetry planning for IOERT is challenging owing to the geometrical and anatomical modifications produced by the retraction of structures and removal of cancerous tissues during the surgery. No data of the actual IOERT 3D scenario is available (for example, the applicator pose in relation to the patient’s anatomy or the irregularities in the irradiated surface) and consequently only a rough approximation of the actual IOERT treatment administered to the patient can be estimated. Intraoperative computed tomography (CT) images of the actual scenario during the treatment would be useful not only for intraoperative planning but also for registering and evaluating the treatment administered to the patient. This information is essential for prospective trials. In this thesis, the feasibility of using a multi-camera optical tracking system to obtain the applicator pose in IOERT scenarios was firstly assessed. Results showed that the accuracy of the applicator pose was below 2 mm in position (mean error of the bevel centre) and 2º in orientation (mean error of the bevel axis and the longitudinal axis), which are within the acceptable range proposed in the recommendation of Task Group 147 (commissioned by the Therapy Committee and the Quality Assurance and Outcomes Improvement Subcommittee of the American Association of Physicists in Medicine [AAPM] to study the localization accuracy with non-radiographic methods such as infrared systems in external beam radiation therapy). An important limitation of this solution is that the actual pose of applicator is superimposed on a patient’s preoperative image. An intraoperative image would provide updated anatomical information and would allow estimating the 3D dose distribution. The second specific study of this thesis evaluated the feasibility of acquiring intraoperative CT images with a CT simulator in real IOERT scenarios. There were no complications in the whole procedure related to the transport step using the subtable and its stretcher or the acquisition of intraoperative CT images in the CT simulator room. The acquired intraoperative studies were used to evaluate the improvement achieved in the dose distribution estimation when compared to that obtained from preoperative CT images, identifying the dominant factor in those estimations (air gap and the surface irregularities, not tissue heterogeneities). Finally, the last specific study focused on assessing several kilovoltage (kV) CT technologies other than CT simulators to acquire intraoperative images for estimating IOERT dose distribution. That would be necessary when a mobile electron LINAC was available in the operating room as transferring the patient to the CT simulator room could not be approved. Our results with an abdominal phantom revealed that a portable CT (BodyTom) and even a LINAC with on-board kV cone-beam CT (TrueBeam) would be suitable for this purpose.Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y ComunicacionesPresidente: Joaquín López Herráiz.- Secretario: María Arrate Muñoz Barrutia.- Vocal: Óscar Acosta Tamay

Stress relaxation in epithelial monolayers is controlled by the actomyosin cortex

Epithelial monolayers are one-cell thick tissue sheets that separate internal and external environments. As part of their function, they have to withstand extrinsic mechanical stresses applied at high strain rates. However, little is known about how monolayers respond to mechanical deformations. Here, by subjecting suspended epithelial monolayers to stretch, we find that they dissipate stresses on a minute time-scale in a process that involves an increase in monolayer length, pointing to active remodelling of cell architecture during relaxation. Strikingly, monolayers consisting of tens of thousands of cells relax stress with similar dynamics to single rounded cells and both respond similarly to perturbations of actomyosin. By contrast, cell-cell junctional complexes and intermediate filaments do not relax tissue stress, but form stable connections between cells, allowing monolayers to behave rheologically as single cells. Taken together our data show that actomyosin dynamics governs the rheological properties of epithelial monolayers, dissipating applied stresses, and enabling changes in monolayer length.Peer ReviewedPostprint (published version

Advanced capabilities for planar X-ray systems

Mención Internacional en el título de doctorThe past decades have seen a rapid evolution towards the use of digital detectors in radiology and a more flexible robotized movement of the system components, X-ray tube and detector. This evolution opened the possibility for incorporating advanced capabilities in these planar X-ray systems, and for providing new valuable diagnostic information compared to the previous technology. Some of the current challenges for radiography are to obtain more quantitative images and to reduce the inherent superposition of tissues because of the 2D nature of the technique. Dual energy radiography, based on the acquisition of two images at different source voltages, enables a separate characterization of soft tissue and bone structures. Its benefits over conventional radiography have been proven in different applications, since it improves information content without adding significant extra acquisition time or radiation dose. In a different direction, a really disruptive advance would be to obtain 3D imaging with systems designed just for planar images. The incorporation of tomographic capabilities into these systems would have to deal with the acquisition of a limited number of projections, with non-standard geometrical configurations. This thesis presents original contributions in these two directions: dual energy radiography and 3D imaging with X-ray systems designed for planar imaging. The work is framed in a line of research of the Biomedical Imaging and Instrumentation Group from the Bioengineering and Aerospace Department of University Carlos III de Madrid working jointly with the University Hospital Gregorio Marañón, focused on the advance of radiology systems. This research line is carried out in collaboration with the group of Computer Architecture, Communications and Systems (ARCOS), from the same university, the Imaging Research Laboratory (IRL) of the University of Washington and the research center CREATIS, France. The research has a clear focus on technology transfer to the industry through the company Sedecal, a Spanish multinational among the 10 best world companies in the medical imaging field. The first contribution of this thesis is a complete novel protocol to incorporate dual energy capabilities that enable quantitative planar studies. The proposal is based on the use of a preliminary calibration with a very simple and low-cost phantom formed by two parts that represent soft tissue and bone equivalent materials. This calibration is performed automatically with no strict placement requirements. Compared to current Dual-energy X-ray Absorptiometry (DXA) systems, 1) it provides real mass-thickness values directly, enabling quantitative planar studies instead of relative comparisons, and 2) it is based on an automatic preliminary calibration without the need of interaction of an experienced technician. The second contribution is a novel protocol for the incorporation of tomographic capabilities into X-ray systems originally intended for planar imaging. For this purpose, we faced three main challenges. First, the geometrical trajectory of equipment follows non-standard circular orbits, thus posing severe difficulties for reconstruction. To handle this, the proposed protocol comprises a new geometrical calibration procedure that estimates all the system parameters per-projection. Second, the reconstruction of a limited number of projections from a reduced angular span leads to severe artifacts when using conventional reconstruction methods. To deal with these limited-view data, the protocol includes a novel advanced reconstruction method that incorporates the surface information of the sample, which can be extracted with a 3D light surface scanner. These data are introduced as an imposed constraint following the Split Bregman formulation. The restriction of the search space by exploiting the surface-based support becomes crucial for a complete recovery of the external contour of the sample and surroundings when the angular span is extremely reduced. The modular, efficient and flexible design followed for its implementation allows for the reconstruction of limited-view data with non-standard trajectories. Third, the optimization of the acquisition protocols has not yet explored with these systems. This thesis includes a study of the optimum acquisition protocols that allowed us to identify the possibilities and limitations of these planar systems. Using the surface-constrained method, it is possible to reduce the total number of projections up to 33% and the angular span down to 60 degrees. The contributions of this thesis open the way to provide depth and quantitative information very valuable for the improvement of radiological diagnosis. This could impact considerably the clinical practice, where conventional radiology is still the imaging modality most used, accounting for 80-90% of the total medical imaging exams. These advances open the possibility of new clinical applications in scenarios where 1) the reduction of the radiation dose is key, such as lung cancer screening or Pediatrics, according to the ALARA criteria (As Low As Reasonably Achievable), 2) a CT system is not usable due to movement limitations, such as during surgery or in an ICU and 3) where costs issues complicate the availability of CT systems, such as rural areas or underdeveloped countries. The results of this thesis has a clear application in the industry, since it is part of a proof of concept of the new generation of planar X-ray systems that will be commercialized worldwide by the company SEDECAL (Madrid, Spain).Los últimos años están viendo un rápido avance de los sistemas de radiología hacia el uso de detectores digitales y a una mayor flexibilidad de movimientos de los principales componentes del sistema, el tubo de rayos X y el detector. Esta evolución abre la posibilidad de incorporar capacidades avanzadas en sistemas de imagen plana por rayos X proporcionando nueva información valiosa para el diagnóstico. Dos retos en radiografía son obtener imágenes cuantitativas y reducir la superposición de tejidos debida a la naturaleza proyectiva de la técnica. La radiografía de energía dual, basada en la adquisición de dos imágenes a diferente kilovoltaje, permite obtener imágenes de tejido blando y hueso por separado. Los beneficios de esta técnica que aumenta la cantidad de información sin añadir un tiempo de adquisición o de dosis de radiación extra significativos frente al uso de radiografía convencional, han sido demostrados en diferentes aplicaciones. En otra dirección, un avance realmente disruptivo sería la obtención de imagen 3D con sistemas diseñados únicamente para imagen plana. La incorporación de capacidades tomográficas en estos sistemas tendría que lidiar con la adquisición de un número limitado de proyecciones siguiendo trayectorias no estándar. Esta tesis presenta contribuciones originales en esas dos direcciones: radiografía de energía dual e imagen 3D con sistemas de rayos X diseñados para imagen plana. El trabajo se encuadra en una línea de investigación del grupo de Imagen Biomédica e Instrumentación del Departamento de Bioingeniería e Ingeniería Aerospacial de la Universidad Carlos III de Madrid junto con el Hospital Universitario Gregorio Marañon, centrada en el avance de sistemas de radiología. Esta línea de investigación se desarollada en colaboración con el grupo Computer Architecture, Communications and Systems (ARCOS), de la misma universidad, el grupo Imaging Research Laboratory (IRL) de la Universidad de Washington y el centro de investigación CREATIS, de Francia. Se trata de una línea de investigación con un claro enfoque de transferencia tecnológica a la industria a través de la compañía SEDECAL, una multinacional española de entre las 10 líderes del mundo en el campo de la radiología. La primera contribución de esta tesis es un protocolo completo para incorporar capacidades de energía dual que permitan estudios cuantitativos de imagen plana. La propuesta se basa en una calibración previa con un maniquí simple y de bajo coste formado por dos materiales equivalentes de tejido blando y hueso respectivamente. Comparado con los sistemas actuales DXA (Dual-energy X-ray Absorptiometry), 1) proporciona valores reales de tejido atravesado, 2) se basa en una calibración automática que no requiere la interacción de un técnico con gran experiencia. La segunda contribución es un protocolo nuevo para la incorporación de capacidades tomográficas en sistemas de rayos X originariamente diseñados para imagen plana. Para ello, nos enfrentamos a tres principales dificultades. En primer lugar, las trayectorias que pueden seguir la fuente y el detector en estos sistemas no constituyen órbitas circulares estándares, lo que plantea retos importantes en la caracterización geométrica. Para solventarlo, el protocolo propuesto incluye una calibración geométrica que estima todos los parámetros geométricos del sistema para cada proyección. En segundo lugar, la reconstrucción de un número limitado de proyecciones adquiridas en un rango angular reducido da lugar a artefactos graves cuando se reconstruye con algoritmos convencionales. Para lidiar con estos datos de ángulo limitado, el protocolo incluye un nuevo método avanzado de reconstrucción que incorpora la información de superficie de la muestra, que se puede se obtener con un escáner 3D. Esta información se impone como una restricción siguiendo la formulación de Split Bregman, para compensar la falta de datos. La restricción del espacio de búsqueda a través de la explotación del soporte basado en superficie, es crucial para una recuperación completa del contorno externo de la muestra cuando el rango angular es extremadamente pequeño. El diseño modular, eficiente y flexible de la implementación propuesta permite reconstruir datos de ángulo limitado obtenidos con posiciones de fuente y detector no estándar. En tercer lugar, hasta la fecha, no se ha explorado la optimización del protocolo de adquisición con estos sistemas. Esta tesis incluye un estudio de los protocolos óptimos de adquisición que permitió identificar las posibilidades y limitaciones de estos sistemas de imagen plana. Gracias al método de reconstrucción basado en superficie, es posible reducir el número total de proyecciones hasta el 33% y el rango angular hasta 60 grados. Las contribuciones de esta tesis abren la posibilidad de proporcionar información de profundidad y cuantitativa muy valiosa para la mejora del diagnóstico radiológico. Esto podría impactar considerablemente en la práctica clínica, donde la radiología convencional es todavía la modalidad de imagen más utilizada, abarcando el 80- 90% del total de los exámenes de imagen médica. Estos avances abren la posibilidad de nuevas aplicaciones clínicas en escenarios donde 1) la reducción de la dosis de radiación es clave, como en screening de cáncer de pulmón, de acuerdo con el criterio ALARA (As Low As Reasonably Achievable), 2) no se puede usar un sistema TAC por limitaciones de movimiento como en cirugía o UCI, o 3) el coste limita la disponibilidad de sistemas TAC, como en zonas rurales o en países subdesarrollados. Los resultados de esta tesis presentan una clara aplicación industrial, ya que son parte de un prototipo de la nueva generación de sistemas planos de rayos X que serán distribuidos mundialmente por la compañía SEDECAL.This thesis has been developed as part of several research projects with public funding: - DPI2016-79075-R. ”Nuevos escenarios de tomografía por rayos X”, IP: Mónica Abella García, Ministerio de Economía y Competitividad, 01/01/2017-31/12/2019, 147.620 e. - ”Nuevos escenarios de tomografía por rayos X (NEXT) DPI2016-79075-R. Ministerio de Economía”, Industria y Competitividad. (Universidad Carlos III de Madrid). 30/12/2016-29/12/2019. 147.620 e. (…) - FP7-IMI-2012 (GA-115337), ”PreDict-TB: Model-based preclinical development of anti-tuberculosis drug combinations”. FP7-IMI - Seventh Framework Programme (EC-EFPIA). Unión Europea. (Universidad Carlos III de Madrid). 01/05/2012-31/10/2017. (…) - TEC2013-47270-R, ”Avances en Imagen Radiológica (AIR)”, Ministerio de Economía y Competitividad”, 01/01/2014-31/12/2016. IP: Mónica Abella Garcia and Manuel Desco Menéndez. 160.204 e (…) - RTC-2014-3028-1, ”Nuevos Escenarios Clínicos con Radiología Avanzada (NECRA)”, Ministerio de Economía y Competitividad, 01/06/2014-31/12/2016 IP: Mónica Abella García. 2014-2016. 219.458,96 e - IDI-20130301, ”Nuevo sistema integral de radiografía (INNPROVE: INNovative image PROcessing in medicine and VEterinary)”, IP: Mónica Abella García and Manuel Desco Menéndez. Ministerio de Economía y Competitividad. Subcontratación CDTI, 14/01/2013-31/03/2015. Total: 1.860.629e (UC3M: 325.000e). (Art. 83) - IPT-2012-0401-300000 INNPACTO 2012, ”Tecnologías para Procedimientos Intraoperatorios Seguros y Precisos. XIORT. MINECO. (Universidad Carlos III de Madrid). 01/01/2013-31/12/2015.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería MatemáticaPresidente: Doménec Ros Puig.- Secretario: Cyril Riddell.- Vocal: Yannick Boursie