Modelling the head and neck region for microwave imaging of cervical lymph nodes

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiações em Diagnóstico e Terapia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020O termo “cancro da cabeça e pescoço” refere-se a um qualquer tipo de cancro com início nas células epiteliais das cavidades oral e nasal, seios perinasais, glândulas salivares, faringe e laringe. Estes tumores malignos apresentaram, em 2018, uma incidência mundial de cerca de 887.659 novos casos e taxa de mortalidade superior a 51%. Aproximadamente 80% dos novos casos diagnosticados nesse ano revelaram a proliferação de células cancerígenas dos tumores para outras regiões do corpo através dos vasos sanguíneos e linfáticos das redondezas. De forma a determinar o estado de desenvolvimento do cancro e as terapias a serem seguidas, é fundamental a avaliação dos primeiros gânglios linfáticos que recebem a drenagem do tumor primário – os gânglios sentinela – e que, por isso, apresentam maior probabilidade de se tornarem os primeiros alvos das células tumorais. Gânglios sentinela saudáveis implicam uma menor probabilidade de surgirem metástases, isto é, novos focos tumorais decorrentes da disseminação do cancro para outros órgãos. O procedimento standard que permite o diagnóstico dos gânglios linfáticos cervicais, gânglios que se encontram na região da cabeça e pescoço, e o estadiamento do cancro consiste na remoção cirúrgica destes gânglios e subsequente histopatologia. Para além de ser um procedimento invasivo, a excisão cirúrgica dos gânglios linfáticos representa perigos tanto para a saúde mental e física dos pacientes, como para a sua qualidade de vida. Dores, aparência física deformada (devido a cicatrizes), perda da fala ou da capacidade de deglutição são algumas das repercussões que poderão advir da remoção de gânglios linfáticos da região da cabeça e pescoço. Adicionalmente, o risco de infeção e linfedema – acumulação de linfa nos tecidos intersticiais – aumenta significativamente com a remoção de uma grande quantidade de gânglios linfáticos saudáveis. Também os encargos para os sistemas de saúde são elevados devido à necessidade de monitorização destes pacientes e subsequentes terapias e cuidados associados à morbilidade, como é o caso da drenagem linfática manual e da fisioterapia. O desenvolvimento de novas tecnologias de imagem da cabeça e pescoço requer o uso de modelos realistas que simulem o comportamento e propriedades dos tecidos biológicos. A imagem médica por micro-ondas é uma técnica promissora e não invasiva que utiliza radiação não ionizante, isto é, sinais com frequências na gama das micro-ondas cujo comportamento depende do contraste dielétrico entre os diferentes tecidos atravessados, pelo que é possível identificar regiões ou estruturas de interesse e, consequentemente, complementar o diagnóstico. No entanto, devido às suas características, este tipo de modalidade apenas poderá ser utilizado para a avaliação de regiões anatómicas pouco profundas. Estudos indicam que os gânglios linfáticos com células tumorais possuem propriedades dielétricas distintas dos gânglios linfáticos saudáveis. Por esta razão e juntamente pelo facto da sua localização pouco profunda, consideramos que os gânglios linfáticos da região da cabeça e pescoço constituem um excelente candidato para a utilização de imagem médica por radar na frequência das micro-ondas como ferramenta de diagnóstico. Até à data, não foram efetuados estudos de desenvolvimento de modelos da região da cabeça e pescoço focados em representar realisticamente os gânglios linfáticos cervicais. Por este motivo, este projeto consistiu no desenvolvimento de dois geradores de fantomas tridimensionais da região da cabeça e pescoço – um gerador de fantomas numéricos simples (gerador I) e um gerador de fantomas numéricos mais complexos e anatomicamente realistas, que foi derivado de imagens de ressonância magnética e que inclui as propriedades dielétricas realistas dos tecidos biológicos (gerador II). Ambos os geradores permitem obter fantomas com diferentes níveis de complexidade e assim acompanhar diferentes fases no processo de desenvolvimento de equipamentos médicos de imagiologia por micro-ondas. Todos os fantomas gerados, e principalmente os fantomas anatomicamente realistas, poderão ser mais tarde impressos a três dimensões. O processo de construção do gerador I compreendeu a modelação da região da cabeça e pescoço em concordância com a anatomia humana e distribuição dos principais tecidos, e a criação de uma interface para a personalização dos modelos (por exemplo, a inclusão ou remoção de alguns tecidos é dependente do propósito para o qual cada modelo é gerado). O estudo minucioso desta região levou à inclusão de tecidos ósseos, musculares e adiposos, pele e gânglios linfáticos nos modelos. Apesar destes fantomas serem bastante simples, são essenciais para o início do processo de desenvolvimento de dispositivos de imagem médica por micro-ondas dedicados ao diagnóstico dos gânglios linfáticos cervicais. O processo de construção do gerador II foi fracionado em 3 grandes etapas devido ao seu elevado grau de complexidade. A primeira etapa consistiu na criação de uma pipeline que permitiu o processamento das imagens de ressonância magnética. Esta pipeline incluiu: a normalização dos dados, a subtração do background com recurso a máscaras binárias manualmente construídas, o tratamento das imagens através do uso de filtros lineares (como por exemplo, filtros passa-baixo ideal, Gaussiano e Butterworth) e não-lineares (por exemplo, o filtro mediana), e o uso de algoritmos não supervisionados de machine learning para a segmentação dos vários tecidos biológicos presentes na região cervical, tais como o K-means, Agglomerative Hierarchical Clustering, DBSCAN e BIRCH. Visto que cada algoritmo não supervisionado de machine learning anteriormente referido requer diferentes hiperparâmetros, é necessário proceder a um estudo pormenorizado que permita a compreensão do modo de funcionamento de cada algoritmo individualmente e a sua interação / performance com o tipo de dados tratados neste projeto (isto é, dados de exames de ressonâncias magnéticas) com vista a escolher empiricamente o leque de valores de cada hiperparâmetro que deve ser considerado, e ainda as combinações que devem ser testadas. Após esta fase, segue-se a avaliação da combinação de hiperparâmetros que resulta na melhor segmentação das estruturas anatómicas. Para esta avaliação são consideradas duas metodologias que foram combinadas: a utilização de métricas que permitam avaliar a qualidade do clustering (como por exemplo, o Silhoeutte Coefficient, o índice de Davies-Bouldin e o índice de Calinski-Harabasz) e ainda a inspeção visual. A segunda etapa foi dedicada à introdução manual de algumas estruturas, como a pele e os gânglios linfáticos, que não foram segmentadas pelos algoritmos de machine learning devido à sua fina espessura e pequena dimensão, respetivamente. Finalmente, a última etapa consistiu na atribuição das propriedades dielétricas, para uma frequência pré-definida, aos tecidos biológicos através do Modelo de Cole-Cole de quatro pólos. Tal como no gerador I, foi criada uma interface que permitiu ao utilizador decidir que características pretende incluir no fantoma, tais como: os tecidos a incluir (tecido adiposo, tecido muscular, pele e / ou gânglios linfáticos), relativamente aos gânglios linfáticos o utilizador poderá ainda determinar o seu número, dimensões, localização em níveis e estado clínico (saudável ou metastizado) e finalmente, o valor de frequência para o qual pretende obter as propriedades dielétricas (permitividade relativa e condutividade) de cada tecido biológico. Este projeto resultou no desenvolvimento de um gerador de modelos realistas da região da cabeça e pescoço com foco nos gânglios linfáticos cervicais, que permite a inserção de tecidos biológicos, tais como o tecidos muscular e adiposo, pele e gânglios linfáticos e aos quais atribui as propriedades dielétricas para uma determinada frequência na gama de micro-ondas. Estes modelos computacionais resultantes do gerador II, e que poderão ser mais tarde impressos em 3D, podem vir a ter grande impacto no processo de desenvolvimento de dispositivos médicos de imagem por micro-ondas que visam diagnosticar gânglios linfáticos cervicais, e consequentemente, contribuir para um processo não invasivo de estadiamento do cancro da cabeça e pescoço.Head and neck cancer is a broad term referring to any epithelial malignancies arising in the paranasal sinuses, nasal and oral cavities, salivary glands, pharynx, and larynx. In 2018, approximately 80% of the newly diagnosed head and neck cancer cases resulted in tumour cells spreading to neighbouring lymph and blood vessels. In order to determine cancer staging and decide which follow-up exams and therapy to follow, physicians excise and assess the Lymph Nodes (LNs) closest to the primary site of the head and neck tumour – the sentinel nodes – which are the ones with highest probability of being targeted by cancer cells. The standard procedure to diagnose the Cervical Lymph Nodes (CLNs), i.e. lymph nodes within the head and neck region, and determine the cancer staging frequently involves their surgical removal and subsequent histopathology. Besides being invasive, the removal of the lymph nodes also has negative impact on patients’ quality of life, it can be health threatening, and it is costly to healthcare systems due to the patients’ needs for follow-up treatments/cares. Anatomically realistic phantoms are required to develop novel technologies tailored to image head and neck regions. Medical MicroWave Imaging (MWI) is a promising non-invasive approach which uses non-ionizing radiation to screen shallow body regions, therefore cervical lymph nodes are excellent candidates to this imaging modality. In this project, a three-dimensional (3D) numerical phantom generator (generator I) and a Magnetic Resonance Imaging (MRI)-derived anthropomorphic phantom generator (generator II) of the head and neck region were developed to create phantoms with different levels of complexity and realism, which can be later 3D printed to test medical MWI devices. The process of designing the numerical phantom generator included the modelling of the head and neck regions according to their anatomy and the distribution of their main tissues, and the creation of an interface which allowed the users to personalise the model (e.g. include or remove certain tissues, depending on the purpose of each generated model). To build the anthropomorphic phantom generator, the modelling process included the creation of a pipeline of data processing steps to be applied to MRIs of the head and neck, followed by the development of algorithms to introduce additional tissues to the models, such as skin and lymph nodes, and finally, the assignment of the dielectric properties to the biological tissues. Similarly, this generator allowed users to decide the features they wish to include in the phantoms. This project resulted in the creation of a generator of 3D anatomically realistic head and neck phantoms which allows the inclusion of biological tissues such as skin, muscle tissue, adipose tissue, and LNs, and assigns state-of-the-art dielectric properties to the tissues. These phantoms may have a great impact in the development process of MWI devices aimed at screening and diagnosing CLNs, and consequently, contribute to a non-invasive staging of the head and neck cancer

Uniform sampling of steady states in metabolic networks: heterogeneous scales and rounding

The uniform sampling of convex polytopes is an interesting computational problem with many applications in inference from linear constraints, but the performances of sampling algorithms can be affected by ill-conditioning. This is the case of inferring the feasible steady states in models of metabolic networks, since they can show heterogeneous time scales . In this work we focus on rounding procedures based on building an ellipsoid that closely matches the sampling space, that can be used to define an efficient hit-and-run (HR) Markov Chain Monte Carlo. In this way the uniformity of the sampling of the convex space of interest is rigorously guaranteed, at odds with non markovian methods. We analyze and compare three rounding methods in order to sample the feasible steady states of metabolic networks of three models of growing size up to genomic scale. The first is based on principal component analysis (PCA), the second on linear programming (LP) and finally we employ the lovasz ellipsoid method (LEM). Our results show that a rounding procedure is mandatory for the application of the HR in these inference problem and suggest that a combination of LEM or LP with a subsequent PCA perform the best. We finally compare the distributions of the HR with that of two heuristics based on the Artificially Centered hit-and-run (ACHR), gpSampler and optGpSampler. They show a good agreement with the results of the HR for the small network, while on genome scale models present inconsistencies.Comment: Replacement with major revision

Discovering time-lagged rules from microarray data using gene profile classifiers

Background: Gene regulatory networks have an essential role in every process of life. In this regard, the amount of genome-wide time series data is becoming increasingly available, providing the opportunity to discover the time-delayed gene regulatory networks that govern the majority of these molecular processes.Results: This paper aims at reconstructing gene regulatory networks from multiple genome-wide microarray time series datasets. In this sense, a new model-free algorithm called GRNCOP2 (Gene Regulatory Network inference by Combinatorial OPtimization 2), which is a significant evolution of the GRNCOP algorithm, was developed using combinatorial optimization of gene profile classifiers. The method is capable of inferring potential time-delay relationships with any span of time between genes from various time series datasets given as input. The proposed algorithm was applied to time series data composed of twenty yeast genes that are highly relevant for the cell-cycle study, and the results were compared against several related approaches. The outcomes have shown that GRNCOP2 outperforms the contrasted methods in terms of the proposed metrics, and that the results are consistent with previous biological knowledge. Additionally, a genome-wide study on multiple publicly available time series data was performed. In this case, the experimentation has exhibited the soundness and scalability of the new method which inferred highly-related statistically-significant gene associations.Conclusions: A novel method for inferring time-delayed gene regulatory networks from genome-wide time series datasets is proposed in this paper. The method was carefully validated with several publicly available data sets. The results have demonstrated that the algorithm constitutes a usable model-free approach capable of predicting meaningful relationships between genes, revealing the time-trends of gene regulation. © 2011 Gallo et al; licensee BioMed Central Ltd.Fil: Gallo, Cristian Andrés. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Computación; ArgentinaFil: Carballido, Jessica Andrea. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Computación; ArgentinaFil: Ponzoni, Ignacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Computación; Argentin

유기 발광 소자에 대한 임피던스 분광 분석 방법에 대한 연구

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2019. 2. 홍용택.In this dissertation, the method of analyzing the characteristics of organic light-emitting diodes using impedance spectroscopy was studied. Generally, the organic light-emitting device has a structure in which organic materials necessary for light emission are thinly laminated between a TCO (Transparent Conductive Oxide) and a metal electrode. Due to chemical vulnerability of organic materials as well as the complexity with their hetero-junction, it is necessary to investigate the characteristics of fabricated an organic light-emitting diodes in a non-destructive manner rather than destructive manner. Classically, a method of measuring a current-voltage curve using a current-voltage meter and measuring a luminescence using luminance meter is used to evaluate the characteristics of the OLEDs. However, in order to investigate details at intrinsic interface state or carrier dynamics of OLEDs, it is require measuring the impedance response under operating condition. Impedance spectroscopy (IS) covers all impedance responses in the frequency range from milli hertz to megahertz, while focusing primarily on capacitance in solid-state electronics. This makes it possible to construct a high-resolution equivalent circuit and analyze each measured impedance. Each impedance is measured by applying ac small signal after determining the dc operating voltage. The dc operating voltage and ac small signal should be strategically chosen to describe the behavior of the device. In Chapter 1, an overview of the Impedance Spectroscopy Analysis is introduced and the background of the impedance measurement method is explained. Then the motivation for applying this impedance analysis method to OLEDs is explained and the methods of analyzing the characteristics of OLEDs through impedance spectroscopy are discussed. Chapter 2 reviews previously reported papers about impedance analysis methods of OLEDs and explains the limitations of these papers. In particular, the contributions of the diffusion capacitance that they underestimate are very important to prevent errors when characterizing of OLEDs. To explained diffusion capacitance the Laux & Hess model is applied. This model can explain the impedance response to the residual current and even demonstrate the negative capacitance phenomenon. The analytical results using the Laux & Hess model[1] were verified to describe the characteristics of the OLEDs during operation and an approximate and fitting process for the analytical method of this model is proposed. In Chapter 3, ITO/a-NPD[N,N′-Bis(naphthalen-1-yl)-N,N′-bis(phenyl)-2,2′-dimethylbenzidine]/Alq3[Tris-(8-hydroxyquinolinato)aluminum]/LiF/Al type OLEDs were fabricated and investigated using the improved impedance analysis method proposed in Chapter 2. First, according to the structural (thickness) change, the physical analysis was performed quantitatively by changing the impedance response. The measured impedance at high frequencies represents the interface and buck characteristics in the OLEDs, and the impedance at low frequencies explains the dynamics of carriers in the OLEDs. In addition, the impedance changes due to OLEDs degradation are analyzed. Using the proposed Impedance Spectroscopy Analysis method in this paper, the origin of degradation can be accurately and effectively separated from the state change of the interface and the buck. The results strengthen the existing interpretation of the interface trap effect of HTL/EML and showed that it can be traced with the rate of change of the extracted impedance value. Chapter 4 briefly introduces the program tool for analyzing the OLEDs used in this paper, and attached an appendix for derived the formula. And I will discuss the possibility of applying this Impedance Spectroscopy Analysis to mass products industry in the future.본 논문은 임피던스 분광법을 이용한 유기 발광 다이오드의 특성 분석 방법에 대한 연구이다. 일반적으로 유기 발광 소자는 TCO (Transparent Conductive Oxide)와 금속 전극 사이에 발광에 필요한 유기 물질이 얇게 적층 된 구조를 갖는다. 유기 물질의 화학적 취약성과 헤테로 접합의 복잡성으로 인해 파괴적인 방식 보다는 비파괴 방식으로 제조된 유기 발광 다이오드의 특성을 조사해야 한다. 고전적으로, 전류-전압계를 사용하여 전류-전압 곡선을 측정하고 휘도 계를 사용하여 발광을 측정하는 방법이 OLEDs의 특성을 평가하는데 사용된다. 그러나 OLEDs의 인터페이스 상태 또는 캐리어 동역학에 대한 세부 사항을 조사하기 위해서는 작동 조건 하에서의 임피던스 응답을 측정해야 한다 일반적인 고체 물리에서의 임피던스 분석 방법은 커패시턴스에 주로 초점을 맞추고 있는 반면에, 임피던스 분광법 (IS)은 miliherz 에서 megaherz의 주파수 범위에서 모든 임피던스 응답을 다루는 것이 특징이다. 이를 통해 분해능이 높은 등가 회로를 구성하고 각각 측정 된 임피던스를 면밀히 분석 할 수 있다. 각 임피던스는 작동 직류 전압을 결정한 후 교류 소신호를 인가하여 측정되는데, 이 작동 직류 전압과 교류 소신호는 소자의 동작을 적절히 설명하기 위해 전략적으로 선택되어야 한다. 제 1 장에서는 임피던스 분광 분석의 개요를 소개하고 임피던스 측정 방법의 배경을 설명한다. 그리고 임피던스 분석 방법을 OLEDs에 적용하려는 동기에 대해서 설명하고 임피던스 분광학을 통해 OLEDs의 특성을 분석하는 다양한 방법들이 논의된다. 제 2 장은 OLEDs의 임피던스 분석 방법에 대해 이전에 보고된 논문을 검토하고 이들 논문의 한계를 설명한다. 특히, 이전에 과소평가된 확산 캐패시턴스의 기여는 OLEDs의 특성을 결정할 때 오류를 방지하는 데 매우 중요하다는 것을 보여줄 것이다. 이러한 확산 용량을 설명하기 위해 Laux & Hess 모델이 적용되었다. 이 모델은 잔류 전류에 대한 임피던스 응답을 매우 잘 설명 할 수 있고 심지어 음의 커패시턴스 현상도 잘 설명해 준다. Laux & Hess 모델을 사용한 분석 결과는 작동 중의 OLEDs의 특성을 잘 묘사 하고 있음을 보였고 이 모델의 분석 방법을 위한 근사 프로세스를 제안하였다. 제 3 장에서는 ITO/a-NPD[N,N′-Bis(naphthalen-1-yl)-N,N′-bis(phenyl)-2,2′-dimethylbenzidine]/Alq3[Tris-(8-hydroxyquinolinato)aluminum]/LiF/Al 형 OLED를 제작하여 제 2 장에서 제안된 개선된 임피던스 분석법을 사용하여 조사하였다. 먼저, 구조적(두께) 변화에 따른 임피던스 응답의 변화를 측정하여 물리적, 정량적 해석이 수행되었다. 높은 주파수에서 측정된 임피던스는 OLEDs의 인터페이스 및 버크 특성을 나타내며 저주파수에서의 임피던스는 OLEDs의 캐리어의 동적 이동을 설명한다. 또한 OLEDs의 열화로 인한 임피던스 변화를 분석하였다. 본 논문에서 제안 된 Impedance Spectroscopy Analysis 방법을 사용하면, 열화의 원인으로서 계면과 버크의 상태 변화가 정확하고 효과적으로 분리 될 수 있다. 결과는 HTL/EML의 인터페이스 트랩 효과에 대한 기존 해석을 강화하는 것으로 나왔고 추출된 임피던스 값의 변화율을 추적 할 수 있음을 보여 주었다. 4 장 에서는 이 논문에서 사용된 OLEDs를 분석하기 위한 프로그램 도구를 간략하게 소개하고 수식에 대한 부록을 첨부 했다. 그리고 향후 이 임피던스 분광학 분석을 산업에 적용 시킬 가능성에 대해 논의하고 요약하도록 하겠다.Abstract i Contents v List of Figures viii List of Tables xiii Chapter 1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.1.1 History of Organic Light Emitting Diodes 6 1.1.2 OLEDs Hetero Structures 8 1.1.3 OLEDs life time 11 1.2 Materials 15 1.2.1 Alq3 16 1.2.2 HAT-CN 17 1.2.3 α-NPB 18 1.2.4 DCM 19 1.3 Equipment & Instrument 20 1.3.1 Thermal Evaporator 20 1.3.2 Impedance Measurement Equipment for OLEDs 23 Chapter 2 Analytic Theory of OLED Impedance Spectroscopy 26 2.1 Problems of Previous Reported Impedance Spectroscopy to extract parameter on OLEDs 28 2.2 Complex Capacitance Concepts for IS 31 2.2.1 ARC 31 2.2.2 ZARC 34 2.2.3 Negative Capacitance 38 2.2.4 Equivalent circuit strategy for OLEDs 43 2.3 Theory 45 2.3.1 Impedance Spectroscopy 45 2.3.2 Small-Signal Model 49 2.3.3 Complex Plane Diagram 51 2.3.4 Equivalent Circuit Modeling 54 2.3.5 Superposition of various Impedance Component 58 2.3.6 Debye relaxation plot( -plot) 60 2.4 How to extract reasonable parameter from impedance spectroscopy 64 Chapter 3 Experiments 71 3.1 Thickness modification OLEDs 72 3.1.1 Analysis of the Interface of the OLEDs 76 3.1.2 Analysis of the Carrier Distribution of OLEDs 78 3.2 Thickness ratio modification 80 3.2.1 Relation between efficiency and M-plot 82 3.3 DCM doping ration Modification 84 3.3.1 Correlation between Current-Voltage-Efficiency and Impedance Response 84 Chapter 4 Discussion 90 4.1 Consideration of Effects of Interface Properties 90 4.2 Consideration of Effects of Bulk properties 92 4.3 Negative Capacitance relation with efficiency analysis 93 4.4 Mobility Measurement Using Impedance analysis 96 Chapter 5 Conclusion 101 Appendix 109 Bibliography 116 Publications 122 초 록 127Docto

Mobile-IP ad-hoc network MPLS-based with QoS support.

The support for Quality of Service (QoS) is the main focus of this thesis. Major issues and challenges for Mobile-IP Ad-Hoc Networks (MANETs) to support QoS in a multi-layer manner are considered discussed and investigated through simulation setups. Different parameters contributing to the subjective measures of QoS have been considered and consequently, appropriate testbeds were formed to measure these parameters and compare them to other schemes to check for superiority. These parameters are: Maximum Round-Trip Delay (MRTD), Minimum Bandwidth Guaranteed (MBG), Bit Error Rate (BER), Packet Loss Ratio (PER), End-To-End Delay (ETED), and Packet Drop Ratio (PDR) to name a few. For network simulations, NS-II (Network Simulator Version II) and OPNET simulation software systems were used.Dept. of Electrical and Computer Engineering. Paper copy at Leddy Library: Theses & Major Papers - Basement, West Bldg. / Call Number: Thesis2005 .A355. Source: Masters Abstracts International, Volume: 44-03, page: 1444. Thesis (M.Sc.)--University of Windsor (Canada), 2005