740 research outputs found

    CT Automated Exposure Control Using A Generalized Detectability Index

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    Purpose Identifying an appropriate tube current setting can be challenging when using iterative reconstruction due to the varying relationship between spatial resolution, contrast, noise, and dose across different algorithms. This study developed and investigated the application of a generalized detectability index (d\u27gen) to determine the noise parameter to input to existing automated exposure control (AEC) systems to provide consistent image quality (IQ) across different reconstruction approaches. Methods This study proposes a task‐based automated exposure control (AEC) method using a generalized detectability index (d\u27gen). The proposed method leverages existing AEC methods that are based on a prescribed noise level. The generalized d\u27gen metric is calculated using lookup tables of task‐based modulation transfer function (MTF) and noise power spectrum (NPS). To generate the lookup tables, the American College of Radiology CT accreditation phantom was scanned on a multidetector CT scanner (Revolution CT, GE Healthcare) at 120 kV and tube current varied manually from 20 to 240 mAs. Images were reconstructed using a reference reconstruction algorithm and four levels of an in‐house iterative reconstruction algorithm with different regularization strengths (IR1–IR4). The task‐based MTF and NPS were estimated from the measured images to create lookup tables of scaling factors that convert between d\u27gen and noise standard deviation. The performance of the proposed d\u27gen‐AEC method in providing a desired IQ level over a range of iterative reconstruction algorithms was evaluated using the American College of Radiology (ACR) phantom with elliptical shell and using a human reader evaluation on anthropomorphic phantom images. Results The study of the ACR phantom with elliptical shell demonstrated reasonable agreement between the d\u27gen predicted by the lookup table and d\u27 measured in the images, with a mean absolute error of 15% across all dose levels and maximum error of 45% at the lowest dose level with the elliptical shell. For the anthropomorphic phantom study, the mean reader scores for images resulting from the d\u27gen‐AEC method were 3.3 (reference image), 3.5 (IR1), 3.6 (IR2), 3.5 (IR3), and 2.2 (IR4). When using the d\u27gen‐AEC method, the observers’ IQ scores for the reference reconstruction were statistical equivalent to the scores for IR1, IR2, and IR3 iterative reconstructions (P \u3e 0.35). The d\u27gen‐AEC method achieved this equivalent IQ at lower dose for the IR scans compared to the reference scans. Conclusions A novel AEC method, based on a generalized detectability index, was investigated. The proposed method can be used with some existing AEC systems to derive the tube current profile for iterative reconstruction algorithms. The results provide preliminary evidence that the proposed d\u27gen‐AEC can produce similar IQ across different iterative reconstruction approaches at different dose levels

    Characteristics of flight simulator visual systems

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    The physical parameters of the flight simulator visual system that characterize the system and determine its fidelity are identified and defined. The characteristics of visual simulation systems are discussed in terms of the basic categories of spatial, energy, and temporal properties corresponding to the three fundamental quantities of length, mass, and time. Each of these parameters are further addressed in relation to its effect, its appropriate units or descriptors, methods of measurement, and its use or importance to image quality

    Image Processing for Machine Vision Applications

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    L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

    Optical Storage Phosphors and Materials for Ionizing Radiation

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    X ray microscope assembly and alignment support and advanced x ray microscope design and analysis

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    Considerable efforts have been devoted recently to the design, analysis, fabrication, and testing of spherical Schwarzschild microscopes for soft x ray application in microscopy and projection lithography. The spherical Schwarzschild microscope consists of two concentric spherical mirrors configured such that the third order spherical aberration and coma are zero. Since multilayers are used on the mirror substrates for x ray applications, it is desirable to have only two reflecting surfaces in a microscope. In order to reduce microscope aberrations and increase the field of view, generalized mirror surface profiles have been considered in this investigation. Based on incoherent and sine wave modulation transfer function (MTF) calculations, the object plane resolution of a microscope has been analyzed as a function of the object height and numerical aperture (NA) of the primary for several spherical Schwarzschild, conic, and aspherical head reflecting two mirror microscope configurations

    A quantitative analysis of a self-emitting thermal IR scene simulation system

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    A quantitative evaluation is performed in which the imaging characteristics of a selfemitting thermal infrared scene simulation system are analyzed. The simulation system is comprised of an energy source (an Argon laser), optics, a spatial light modulator for image generation in the visible wavelength energy, and an transducer for conversion of the visible wavelength energy image to a thermal IR image. After construction of the simulation system, the performance of the simulation system and its components is analyzed by measurement of : (1) the Modulation Transfer Function, (2) the temporal response, (3) the maximum thermal contrast, and (4) the Noise Equivalent Delta Temperature. Additionally, an evaluation was made of the performance of the infrared imaging system used to view the simulation system output imagesby measurement of its Modulation Transfer Function and Noise Equivalent Delta Temperature. The optimum area of concentration for overall system improvement has been identified for future developmental work

    Experimental comparison of noise and resolution for 2k and 4k storage phosphor radiography systems

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    Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/134792/1/mp8656.pd

    Deformable Beamsplitters: Enhancing Perception with Wide Field of View, Varifocal Augmented Reality Displays

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    An augmented reality head-mounted display with full environmental awareness could present data in new ways and provide a new type of experience, allowing seamless transitions between real life and virtual content. However, creating a light-weight, optical see-through display providing both focus support and wide field of view remains a challenge. This dissertation describes a new dynamic optical element, the deformable beamsplitter, and its applications for wide field of view, varifocal, augmented reality displays. Deformable beamsplitters combine a traditional deformable membrane mirror and a beamsplitter into a single element, allowing reflected light to be manipulated by the deforming membrane mirror, while transmitted light remains unchanged. This research enables both single element optical design and correct focus while maintaining a wide field of view, as demonstrated by the description and analysis of two prototype hardware display systems which incorporate deformable beamsplitters. As a user changes the depth of their gaze when looking through these displays, the focus of virtual content can quickly be altered to match the real world by simply modulating air pressure in a chamber behind the deformable beamsplitter; thus ameliorating vergence–accommodation conflict. Two user studies verify the display prototypes’ capabilities and show the potential of the display in enhancing human performance at quickly perceiving visual stimuli. This work shows that near-eye displays built with deformable beamsplitters allow for simple optical designs that enable wide field of view and comfortable viewing experiences with the potential to enhance user perception.Doctor of Philosoph

    Investigating the impact of beam and target parameters in particle imaging

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    Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiação em Diagnóstico e Terapia) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020Estima-se que o cancro é a segunda principal causa de morte a nível mundial sendo responsável por aproximadamente 9.6 milhões de mortes em 2018, globalmente correspondendo a 1 em cada 6 mortes98. Cirurgia, radioterapia e quimioterapia estão incluídas como alguns dos vários regimes de tratamento adequados dependendo do tipo de cancro, sendo, portanto, o seu correto diagnóstico um factor de elevada importância. Radioterapia externa é definida como o tratamento que consiste na administração de diferentes tipos de radiação ionizante como o raio-X, raios Gamma, protões ou partículas com carga, utilizados como fim a destruição das células tumorais. Este processo consiste no efeito direto provocado pela radiação na estrutura do DNA, mais especificamente na dupla hélice, provocando uma ativação de sensores de destruição no DNA de modo a causar necrose, apoptose ou produzir um efeito na mitose de forma a deformar as características normais do neoplasma94. Exisre também um efeito indireto de destruição através das espécies reativas de oxigénio produzidas pela radiólise de água. A radiação absorvida pelas células, medida em unidades Gray (Gy) é definida como a quantidade de energia depositada pela radiação ionizante numa massa de volume de tecido, sendo que o dano celular é tanto maior quanto maior for a radiação absorvida85. As partículas carregadas possuem distribuições de profundidade-dose diferentes quando comparadas com fotões. A grande maioria da sua energia é depositada nos milímetros finais da sua trajetória, quando a sua velocidade diminui, sendo este factor o que forma o pico de Bragg, definido como um pico de dose estreito e localizado. O alcance desta mesma partícula no material é observado na posição de paragem do pico de Bragg91. Procedendo ao ajustamento da energia das partículas carregadas é possível depositar com alta precisão as doses pré-prescritas no corpo do doente, levando a que haja um rácio alto de deposição de dose no volume alvo quando comparado com tecido saudável. A errada localização do pico de Bragg pode resultar tanto em overdose dos tecidos saudáveis como em subdosagem do alvo. Portanto, um desafio importante na radioterapia consiste em determinar a energia incidente necessária da partícula de modo a permitir uma alta ionização num lugar específico do corpo humano. Em terapia externa de fotões e protões, anteriormente ao tratamento, uma tomografia computorizada de planeamento é adquirido, onde as estruturas são delineadas de modo a providenciar um mapa de densidade eletrónica que mais tarde é traduzida para valores de poder de paragem71. A prática clínica corrente consiste em adquirir os valores de poder de paragem no doente procedendo à conversão de unidades Hounsfield de uma tomografia computorizada de planeamento para poder de paragem relativo. O poder de paragem relativo é definido como o poder de paragem de um material comparado com o poder de paragem da água43. Esta conversão consiste na correspondência entre valores das unidades Hounsfield e poderes de paragem relativos a partir de uma curva de calibração91. Contudo, não existe uma relação física entre o coeficiente de atenuação mássica do fotão, medido pela tomografia computorizada de planeamento, e os valores de poder de paragem relativos o que leva a incertezas associadas a este método de conversão. Estas incertezas têm um grande impacto no alcance atingido pelas partículas calculado no scan de tomografia computorizada do doente e variam na ordem dos 3%. Portanto, margens de segurança são adicionadas à dose administrada ao doente que rodeia o volume alvo planeado de modo a assegurar um volume total clínico do alvo. Como esperado, devido a estas margens de segurança, um volume significativo de volume de tecido saudável irá também receber dose. Radiografia e tomografia de partículas são ferramentas utilizadas para o planeamento de tratamento e verificação em terapia de partículas de maneira a permitir a visualização da parte do corpo que está a passar pelo scan. A maior vantagem associada à imagiologia de transmissão de partículas quando comparada com a estimação dos valores de poder de paragem relativos com raio-X, é a maior precisão desta estimação devido às medidas efetuadas à espessura equivalente de água percorrida pelos protões ou iões leves após percorrer o doente. Sendo que os valores de espessura equivalente da água estão relacionados com a valores integrados de poder de paragem relativos, os mesmos poderão ser obtidos, em três dimensões, através da reconstrução da tomografia computorizada das projeções medidas dos valores de espessura equivalentes de água71. Portanto, imagiologia de partículas permite a estimação direta de valores relativos de poder de paragem através de tomografia computorizada de partículas. Não obstante, a dispersão múltipla de Coulomb, definido como processos de dispersão de Rutherford sofridos por uma partilha aquando da sua viagem na matéria, limita a qualidade de imagem devido à defleção angular e deslocamento lateral das partículas. Estas dispersões dificultam a predição da localização e ângulo da partícula a uma dada profundidade. De modo a melhorar a resolução espacial, é necessário identificar a posição e direção da partícula antes e depois do objeto assim como medir a sua energia residual individual recorrendo a sistemas de detetores. O detetor utilizado para esta investigação da tese está mais profundamente explicado na secção 4.2. Os algoritmos Most Likely Path (MLP) (“Trajeto mais provável”) e Cubic Spline Path (“Trajetória de linha cúbica”) foram propostos em imagiologia de partículas com objetivo de melhorar o problema associado à dispersão múltipla de Coulomb. Recorrendo aos algoritmos mencionados, o objetivo principal desta tese é, portanto, a investigação da qualidade de imagem de radiografia em função da energia inicial do feixe de partículas. Uma vez que a dispersão múltipla de Coulomb afeta a precisão do algoritmo MLP afetando, portanto, a resolução espacial, tem sido proposto por vários estudos21,32,42,69,88 o uso de iões de hélio como partículas geradoras de imagem devido ao reduzido efeito associado de múltipla dispersão de Coulomb. Além do mais, quando comparados com protões, os iões de hélio possuem menos dispersão de alcance o que significa que têm menos ruído associado à imagem com o mesmo número de partículas por pixel32. Juntando estas vantagens associadas e ainda mais o facto de que os iões de hélio sofrem menos fragmentação quando comparados com partículas pesadas, fez com que estas fossem as partículas escolhidas para imagiologia como estudo para esta tese. O estudo de Amato et al. (2020)5 demonstra que o uso de energias mais altas para o feixe de partículas provoca uma redução da dispersão múltipla de Coulomb levando a um aumento da resolução espacial. Contudo, um aumento de dispersão de alcance da partícula leva a que haja um maior nível de ruído na imagem. No mesmo estudo, apenas objetos homogéneos são estudados e no caso dos objetos heterogéneos a dispersão múltipla de Coulomb aumenta significativamente o ruído de imagem25. Consequentemente, sendo que ainda é desconhecido o comportamento da qualidade de imagem aquando do aumento da energia do feixe para casos reais de doentes, o objetivo principal desta tese é a investigação da qualidade de imagem de radiografia de iões de hélio em função da energia inicial do feixe de partículas, tanto para fantomas homogéneos como para heterogéneos. Um protótipo de detetor68 foi utilizado para simular, com simulações Monte Carlo no software de simulações TOPAS, as radiografias de hélio e, seguindo o estudo de Amato et al. (2020)5, um material degradador de energia (cobre) foi adicionado entre o dispositivo rastreador traseiro e o detetor de energia de modo a compensar os alcances mais elevados associados a maiores energias do feixe. Nesta tese, um fantoma homogéneo de água com três cubos de alumínio inseridos foi estudado assim como um fantoma de uma cabeça pediátrica34 de modo a estudar casos mais realistas. As reconstruções de imagem foram realizadas recorrendo ao algoritmo desenvolvido por Collins-Fekete et al. (2016)19 e a qualidade de imagem foi analisada para resolução espacial, rácio entre contraste e ruído e o ruído por pixel em relação à dose absorvida. Os resultados desta investigação, com o intervalo de energias do feixe utilizado (200-325 MeV/u), envolveram uma melhoria total de 46% de resolução espacial com o aumento da energia do feixe de partículas, exceto para o caso de 325 MeV/u que não segue a tendência. Em relação ao rácio entre contraste e ruído, ocorreu uma diminuição de 42% à medida que a energia do feixe de partículas aumentava. Concluindo, existe uma melhoria qualitativa e quantitativa em termos de resolução espacial nas radiografias de iões de hélio associada ao aumento das energias do feixe de partículas com a adição de um degradador de energia.Cancer is known to kill an estimate of 9.6 million people in 201898. Therefore, it is urgent to ameliorate the associated treatment, specifically radiotherapy. Particle therapy is a form of cancer radiotherapy exploiting the highly localized dose deposit of charged particles, the Bragg peak, for advanced sparing of healthy tissue. However, the highly conformal dose deposit also presents a great challenge as misplacement of the Bragg peak can result in severe overdosage of healthy tissue/underdosage of the target. Precise particle therapy hence requires advanced image guidance methods. This thesis focuses on particle imaging for image guidance in particle therapy. A precise relative stopping power map of the patient constitutes a vital part for accurate particle therapy. Charged particle imaging can determine the stopping power both tomographically with particle computed tomography (pCT), or combining prior knowledge from particle radiography and X-ray CT. In terms of image quality improvement, image reconstruction becomes challenging for particle imaging owing to the existence of Multiple Coulomb Scattering (MCS) limiting image resolution (worse spatial resolution) and leading to increased image noise20. In order to improve the image quality, therefore, most likely path (MLP) reconstruction algorithms are performed, to ameliorate the problem of MCS. Tracking detectors of individual particles before and after the patient are required to use MLP algorithms. Moreover, an energy/range detector is also necessary to measure the particles’ residual energy/range after the patient and to ensure RSP accuracy. Both heavier particles and higher beam energies reduce the effect of multiple Coulomb scattering, leading to a better path estimation. It is also noted, that for lighter ions, fixing the initial range maximizes the physical dose deposition to the patient while minimizing the image quality91. In this thesis, therefore the image quality of helium ion imaging with a recent prototype detector system is evaluated as function of the beam energy in detailed Monte Carlo simulations. With this research project, factors, such as beam and target parameters, involved in increasing image quality were studied in particle imaging taking into account detector design. The idea was to investigate how to improve upon a state-of-the-art prototype scanner, allowing for higher beam energies. This will be accomplished by adding an adequate energy degrader to the detector, between the rear tracker and the energy/range detector. This degrader had its main aim to compensate for the longer range associated with more energetic ions. The main goal was to investigate the image quality as a function of initial energy behave, assuming a realistic detector model in the simulation. Helium ion beams at six different energy levels available at a clinical ion beam therapy facility (200 MeV/u to 325 MeV/u) were used to image two different phantoms: a water phantom with three aluminum cubes inside and an anthropomorphic pediatric head phantom. Monte Carlo simulations were performed using the TOPAS simulation toolkit. For path estimation, the Cubic Spline Path (CSP) was employed, which is a computationally efficient variate of the MLP. To reconstruct helium ion radiographic images the Maximum Likelihood Method used. This algorithm yields highly accurate radiographs without the need of prior knowledge. Further, the image quality was analyzed through the contrast-to-noise-ratio (CNR), per-pixel-noise and the Modulation Transfer Function (MTF), considering the absorbed dose. The results of this investigation, considering the beam energy interval, involve a total spatial resolution improvement of 46% measured with increasing beam energy, except for the 325 MeV/u case which does not fit the trend. In relation to CNR analysis, a decrease of 42% was found as the beam energy increases. In conclusion, there is a quantitatively and qualitatively improvement in terms of spatial resolution in helium-beam radiography with increasing beam energies with the addition of an energy degrader

    Quantitative Analysis of Three-Dimensional Cone-Beam Computed Tomography Using Image Quality Phantoms

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    In the clinical setting, weight-bearing static 2D radiographic imaging and supine 3D radiographic imaging modalities are used to evaluate radiographic changes such as, joint space narrowing, subchondral sclerosis, and osteophyte formation. These respective imaging modalities cannot distinguish between tissues with similar densities (2D imaging), and do not accurately represent functional joint loading (supine 3D imaging). Recent advances in cone-beam CT (CBCT) have allowed for scanner designs that can obtain weight-bearing 3D volumetric scans. The purpose of this thesis was to analyze, design, and implement advanced imaging techniques to quantify image quality parameters of reconstructed image volumes generated by a commercially-available CBCT scanner, and a novel ceiling-mounted CBCT scanner. In addition, imperfections during rotation of the novel ceiling-mounted CBCT scanner were characterized using a 3D printed calibration object with a modification to the single marker bead method, and prospective geometric calibration matrices
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