Discrete modeling of human body using preprocessing and segmentation techniques of medical images

Los tejidos humanos son estructuras anatómicas que se caracterizan por tener una morfología compleja y solapada entre sí, razones por las cuales la generación de modelos geométricos precisos no resulta una tarea fácil. En la actualidad, esta tarea se ha beneficiado por el desarrollo de técnicas de diagnóstico por imágenes médicas, las cuales permiten visualizar el cuerpo humano en una forma confiable y no invasiva, generando cortes transversales que representan una sección de los tejidos bajo evaluación. En este trabajo, se propone el uso de un conjunto de técnicas numéricas de procesamiento digital de imágenes implementadas en una herramienta de software para la obtención de modelos geométricos a través de cinco etapas: (1) lectura y reconstrucción tridimensional (3D) inicial de los cortes originales de imágenes de tomografía computacional y resonancia magnética; (2) corrección de la baja calidad de las imágenes utilizando algoritmos de preprocesamiento para suavizar el ruido y realzar los bordes de los tejidos; (3) segmentación híbrida para obtener la geometría 3D de los tejidos de interés; (4) posprocesamiento para corregir errores de segmentación, y (5) exportación de los volúmenes en formatos legibles por otras herramientas de visualización médica y de Diseño Asistido por Computador (CAD) para verificar su utilidad para la generación de modelos discretos a través del análisis con los métodos numéricos. Las técnicas utilizadas fueron validadas calculando descriptores estadísticos en los modelos generados y los modelos proporcionados por otros medios como base de datos libres disponibles en sitios web. Los resultados demostraron que las técnicas implementadas generan modelos precisos y útiles para el análisis numérico, de manera versátil y en corto tiempo de procesamiento.The generation of anatomical models is one the most important concern to biomedical researchers as well as to medical doctors, due to needed to understand the human tissues. Is know that the soft tissues like heart, brain, prostate and hard tissues like jaw, bones, skull, etc are structures of complex morphologies, so, the anatomical models generation is not an easy and trivial task. Currently, this task has benefited of advances of imaging diagnostic, which permit obtain cross and longitudinal sections of human body. In this research, we describe a method to obtain 3D discrete models of human body given by a dataset of medical images. Five main modules were implemented in prototype software: (1) Reading and 3D reconstruction of Computerized Axial Tomography and Magnetic Resonance Images. (2) Preprocessing techniques for improve the low medical images quality by using enhancement algorithms to reduce image noise and to increase structures contrast. (3) Combined segmentation techniques for tissue identification, which were applied through a multi-stage approach. (4) Post processing techniques to improve segmented volumes and (5) Exportation task of volumes to readable formats by Computer Aided Design (CAD) tools to be later analyzed by numerical methods. The performance of our method is shown on several medical examples and the techniques were validated using statistical descriptors to compare our models with models from free databases. Results showed that the implemented techniques generate precise and useful models for numerical analysis and medical survey, planning and surgery in a short processing time.Peer Reviewe

X-ray computed tomography of mouse embryo

Jedním z cílů diplomové práce je porovnání možností dostupných mikro-CT. Teoretická část se zabývá možnostmi barvení měkkých tkání a embryí z důvodu zvýšení kontrastu mikro-CT snímků u těchto tkání. Dále se zde popisují zdroje záření a detektory dostupných mikro-CT systémů. V praxi bylo realizováno barvení embrya ve spolupráci s Ústavem embryologie a histologie v Brně. Následně proběhlo skenování na stanici v Brně na FSI, v Praze na ČVUT a synchrotronu Elettra v Itálii. V práci jsou popsána měření embrya myši pomocí výše uvedených zařízení a výsledky porovnány. Nejlepších výsledků bylo dosaženo na mikro-CT v Brně, kde se využívá rentgenová trubice a flat panel detektor. Tyto snímky se použily pro segmentaci chrupavčité tkáně čichového ústrojí pomocí metody 3D region growing. Z výsledných dat byly vytvořeny 3D modely za účelem porovnání s manuálně segmentovaným modelem. Poloautomatickou segmentací se dosahuje méně přesných výsledků, ale z hlediska časové náročnosti je tato metoda vhodnější.The aim of this semestral thesis is to compare the possibilities of available micro-CT systems. Theoretic part of this thesis there deals with possibilities of staining soft tissues and embryos because of enhancement the contrast of micro-CT images. Here follows a description of sources X-ray and detectors of available micro-CT systems. In practice there was realized the staining of embryo in cooperation with Department of histology and embryology in Brno. Then followed a measuring on FSI in Brno, ČVUT in Prague and synchrotron Elettra in Italy. In semestral thesis are described of the thesis there are compared the micro-CT systems and results of measuring embryos by means of presented systems and results are compared.The best results were obtained on micro-CT in Brno, where X-ray tube and flat panel detector were used. This images were used for a segmentation of cartilage olfactory system by means of 3D region growing. From results they were created 3D models for comparison with a manually segmented model. A less accurate results were obtain with the semi-automatic segmentation but this method isn’t too time-consuming.

Anatomía computacional: una metodología eficiente basada en imágenes médicas para la generación de modelos 3D

En bioingeniería ó bioingeniería biomédica, existen áreas de investigación y desarrollo que trabajan en conjunto y se dedican al desarrollo y aplicación de técnicas para extraer con ayuda del ordenador, información clínica, cualitativa y cuantitativa de las estructuras del cuerpo humano y sus enfermedades, éstas son:Postprint (published version

Anatomía computacional: una metodologia eficiente basada en imágenes médicas para la generación de modelos 3D

Este libro está orientado a introducir en los conceptos generales de la reconstrucción 3D de estructuras anatómicas y presentar una metodología para la obtención de modelos geométricos de tejidos del cuerpo humano a partir de imágenes médicas, útiles para su discretización con los métodos numéricos, con el objetivo de poder simular su comportamiento y planificar intervenciones quirúrgicas. Para este fin, se implementaron diferentes técnicas de procesamiento en imágenes médicas de diversas modalidades, lo que nos permitió obtener geometrías precisas de los tejidos de interés en un corto tiempo de procesamiento. La amplia gama de estudios basados en la reconstrucción tridimensional de tejidos del ser humano a partir de las imágenes médicas, demuestran que éstas han revolucionado los métodos clínicos de diagnosticar y tratar las enfermedades. No sólo permiten a los médicos y científicos obtener información vital observando el interior del cuerpo humano de una manera no invasiva, además, combinadas con técnicas de procesamiento digital, constituyen herramientas para la obtención de modelos geométricos de nuestro cuerpo más precisos sin necesidad de ingresar al paciente

Intraoperative Visualisierung multimodaler Daten in der Neurochirurgie

Die Neurochirurgie als medizinisches Fachgebiet befasst sich mit der Erkennung und der (operativen) Behandlung von Pathologien des zentralen und peripheren Nervensystems. Dazu gehören unter anderem die operative Entfernung (Resektion) von Gehirntumoren und das Einsetzen von Neurostimulatoren bei Parkinson-patienten. In dieser Arbeit werden Beiträge zur computergestützten Behandlung von zerebralen Erkrankungen – Tumoren, Aneurysmen und Bewegungsstörungen – geleistet. Bei operativen Eingriffen zur Behandlung dieser zerebralen Erkrankungen muss eine exakte Planung vor der Operation erfolgen. Für die Volumen-bestimmung von zerebralen Erkrankungen wurde im Rahmen dieser Arbeit ein graphbasierter Segmentierungsalgorithmus für kugelförmige und elliptische Objekte entwickelt. Außerdem ist ein effizienter geometrischer Ansatz für die präoperative Planung von Zugangswegen bei der tiefen Hirnstimulation ausgearbeitet worden. Weiterhin wurde der Workflow zur multimodalen Integration von Stoffwechselvorgängen – erzeugt mit Hilfe der 3 Tesla Protonen MR-Spektroskopie (1H-MRS) – in ein neurochirurgisches Navigationssystem realisiert. Alle Verfahren werden in der vorliegenden Arbeit im Detail vorgestellt und anhand von Patientendaten evaluiert. Außerdem werden die klinischen Prototypen präsentiert, die auf den Verfahren aufbauen

Assessment of a novel computer aided learning tool in neuroanatomy education

Impaired understanding of intricate neuroanatomical concepts and structural inter-relationships has been associated with a fear of managing neurology patients, called neurophobia, among medical trainees. As technology advances, the role of e-learning pedagogies becomes more important to supplement the traditional dissection / prosection and lecture-based pedagogies for teaching neuroanatomy to undergraduate students. However, despite the availability of a myriad of e-learning resources, the neuro (-anatomy-) phobia – neurophobia nexus prevails. The focus of the PhD was to investigate the difficulties associated with learning neuroanatomy and to develop and assess the efficacy of a novel e-learning tool for teaching neuroanatomy, in the context of the strengths and pitfalls of the currently available e-learning resources. Firstly, we sought to provide direct evidence of the medical and health science students’ perception regarding specific challenges associated with learning neuroanatomy. The initial results showed that neuroanatomy is perceived as a more difficult subject compared to other anatomy topics, with spinal pathways being the most challenging to learn. Participants believed that computer assisted learning and online resources could enhance neuroanatomy understanding and decrease their neurophobia. Next, in the context of the significance of e-learning for supplementing traditional pedagogies, we identified features of neuroanatomy web-resources that were valued by students and educators with regards to learning neuroanatomy of the spinal pathways. Participants identified strengths and weaknesses of existing neuroanatomy web-resources and ranked one resource above the others in terms of information delivery and integration of clinical, physiological and medical imaging correlates. This provides a novel user perspective on the influence of specific elements of neuroanatomy web-resources to improve instructional design and enhance learner performance. Finally, considering the data acquired from students and educators, a novel, interactive, neuroanatomy learning e-resource was developed to support teaching of the neuroanatomy of the spinal pathways. The instructional design included a discussion of the clinical interpretation of basic neuroanatomical facts to aid in neurological localization. The e-learning tool was assessed and evaluated by undergraduate medical and neuroscience students using neuroanatomy knowledge quizzes and Likert-scale perception questionnaires and compared to the previously identified best-ranked neuroanatomy e-resource. Participants’ opinion regarding the usefulness of various components of the tools was also gauged. The results showed that usage of the UCC e-resource led to a significant increase in participants’ knowledge of the neuroanatomy of the spinal pathways compared to students’ who did not use e-resources. Moreover, the participants reported a greater interest in learning neuroanatomy with the novel tool, showing a greater appreciation for it while learning clinical neurological correlates compared to those using the best available e-resource identified earlier. In summary, the prevailing problem of neurophobia could be addressed by enhancing student-interest. Technological e-learning pedagogies, with intelligently designed interactive user-interface and clinical correlation of basic neuroanatomical facts can play a pivotal role in helping students learn neuroanatomy and breaking the nexus between neuro (-anatomy-) phobia and neurophobia