Orientation and anisotropy of multi-component shapes

There are many situations in which several single objects are better considered as components of a multi-component shape (e.g. a shoal of fish), but there are also situations in which a single object is better segmented into natural components and considered as a multi-component shape (e.g. decomposition of cellular materials onto the corresponding cells). Interestingly, not much research has been done on multi-component shapes. Very recently, the orientation and anisotropy problems were considered and some solutions have been offered. Both problems have straightforward applications in different areas of research which are based on a use of image based technologies, from medicine to astrophysics.The object orientation problem is a recurrent problem in image processing and computer vision. It is usually an initial step or a part of data pre-processing, implying that an unsuitable solution could lead to a large cumulative error at the end of the vision system’s pipeline. An enormous amount of work has been done to develop different methods for a spectrum of applications. We review the new idea for the orientation of multi-component shapes, and also its relation to some of the methods for determining the orientation of single-component shapes. We also show how the anisotropy measure of multi-component shapes, as a quantity which indicates how consistently the shape components are oriented, can be obtained as a by-product of the approach used

In vivo morphometric and mechanical characterization of trabecular bone from high resolution magnetic resonance imaging

La osteoporosis es una enfermedad ósea que se manifiesta con una menor densidad ósea y el deterioro de la arquitectura del hueso esponjoso. Ambos factores aumentan la fragilidad ósea y el riesgo de sufrir fracturas óseas, especialmente en mujeres, donde existe una alta prevalencia. El diagnóstico actual de la osteoporosis se basa en la cuantificación de la densidad mineral ósea (DMO) mediante la técnica de absorciometría dual de rayos X (DXA). Sin embargo, la DMO no puede considerarse de manera aislada para la evaluación del riesgo de fractura o los efectos terapéuticos. Existen otros factores, tales como la disposición microestructural de las trabéculas y sus características que es necesario tener en cuenta para determinar la calidad del hueso y evaluar de manera más directa el riesgo de fractura. Los avances técnicos de las modalidades de imagen médica, como la tomografía computarizada multidetector (MDCT), la tomografía computarizada periférica cuantitativa (HR-pQCT) y la resonancia magnética (RM) han permitido la adquisición in vivo con resoluciones espaciales elevadas. La estructura del hueso trabecular puede observarse con un buen detalle empleando estas técnicas. En particular, el uso de los equipos de RM de 3 Teslas (T) ha permitido la adquisición con resoluciones espaciales muy altas. Además, el buen contraste entre hueso y médula que proporcionan las imágenes de RM, así como la utilización de radiaciones no ionizantes sitúan a la RM como una técnica muy adecuada para la caracterización in vivo de hueso trabecular en la enfermedad de la osteoporosis. En la presente tesis se proponen nuevos desarrollos metodológicos para la caracterización morfométrica y mecánica del hueso trabecular en tres dimensiones (3D) y se aplican a adquisiciones de RM de 3T con alta resolución espacial. El análisis morfométrico está compuesto por diferentes algoritmos diseñados para cuantificar la morfología, la complejidad, la topología y los parámetros de anisotropía del tejido trabecular. En cuanto a la caracterización mecánica, se desarrollaron nuevos métodos que permiten la simulación automatizada de la estructura del hueso trabecular en condiciones de compresión y el cálculo del módulo de elasticidad. La metodología desarrollada se ha aplicado a una población de sujetos sanos con el fin de obtener los valores de normalidad del hueso esponjoso. Los algoritmos se han aplicado también a una población de pacientes con osteoporosis con el fin de cuantificar las variaciones de los parámetros en la enfermedad y evaluar las diferencias con los resultados obtenidos en un grupo de sujetos sanos con edad similar.Los desarrollos metodológicos propuestos y las aplicaciones clínicas proporcionan resultados satisfactorios, presentando los parámetros una alta sensibilidad a variaciones de la estructura trabecular principalmente influenciadas por el sexo y el estado de enfermedad. Por otra parte, los métodos presentan elevada reproducibilidad y precisión en la cuantificación de los valores morfométricos y mecánicos. Estos resultados refuerzan el uso de los parámetros presentados como posibles biomarcadores de imagen en la enfermedad de la osteoporosis.Alberich Bayarri, Á. (2010). In vivo morphometric and mechanical characterization of trabecular bone from high resolution magnetic resonance imaging [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8981Palanci

Multi-scale imaging and modelling of bone

The multi-level organization of bone facilitates the exploitation of in-vivo micro-scale information which is currently lacking for clinical applications. The three sub-projects presented in this thesis investigate the human skeletal system at multiple scales using magnetic resonance imaging (MRI) with the aim of providing new techniques for extracting finer scale information in-vivo. At the whole organ level, human knee joint kinematics was studied using a combined MRI strategy. This new strategy enables the in-vivo investigation of tibiofemoral locomotion under body weight-bearing conditions by modelling the knee flexion angle as a function of the femur and tibia cartilage surfaces in contact. The resultant "contact" trajectory may potentially be used to understand the mechanical cause of cartilage degeneration and as a biomarker to detect abnormalities in the lower limb. At the molecular level, in-vivo MR diffusion tensor imaging (DTI) has been performed for the first time in the human tibia epiphysis. By tracking the water molecules inside the red marrow, the organization of trabecular bone network may be understood as the streamlines formed by anisotropic diffusion trajectories. This sub-project aims to understand the organization of trabecular bone networks non-invasively, which is usually performed ex-vivo through biopsies. The feasibility and reproducibility of DTI is studied. Finally, a new MR imaging protocol named multi-directional sub-pixel enhancement (mSPENT) is proposed and developed to quantify the trabecular bone structural arrangement at the meso-scale. By modulating a dephasing gradient to manipulate the underlying spin system inside each voxel, the resulting mSPENT image contrast varies with gradient at different directions based on the magnetization at the corresponding voxel. A tensor-based method is further developed to model this contrast change, leading to a localized quantification of tissue structural orientation beyond the conventional MR imaging resolution