Multi-scale spectrally resolved quantitative fluorescence imaging system: Towards neurosurgical guidance in glioma resection

In glioma resection surgery, the detection of tumour is often guided by using intraoperative fluorescence imaging notably with 5-ALA-PpIX, providing fluorescent contrast between normal brain tissue and the gliomas tissue to achieve improved tumour delineation and prolonged patient survival compared with the conventional white-light guided resection. However, the commercially available fluorescence imaging system relies on surgeon’s eyes to visualise and distinguish the fluorescence signals, which unfortunately makes the resection subjective. In this study, we developed a novel multi-scale spectrally-resolved fluorescence imaging system and a computational model for quantification of PpIX concentration. The system consisted of a wide-field spectrally-resolved quantitative imaging device and a fluorescence endomicroscopic imaging system enabling optical biopsy. Ex vivo animal tissue experiments as well as human tumour sample studies demonstrated that the system was capable of specifically detecting the PpIX fluorescent signal and estimate the true concentration of PpIX in brain specimen

Connectivity of the Superficial Muscles of the Human Perineum: A Diffusion Tensor Imaging-Based Global Tractography Study.

Despite the importance of pelvic floor muscles, significant controversy still exists about the true structural details of these muscles. We provide an objective analysis of the architecture and orientation of the superficial muscles of the perineum using a novel approach. Magnetic Resonance Diffusion Tensor Images (MR-DTI) were acquired in 10 healthy asymptomatic nulliparous women, and 4 healthy males. Global tractography was then used to generate the architecture of the muscles. Micro-CT imaging of a male cadaver was performed for validation of the fiber tracking results. Results show that muscles fibers of the external anal sphincter, from the right and left side, cross midline in the region of the perineal body to continue as transverse perinea and bulbospongiosus muscles of the opposite side. The morphology of the external anal sphincter resembles that of the number '8' or a "purse string". The crossing of muscle fascicles in the perineal body was supported by micro-CT imaging in the male subject. The superficial muscles of the perineum, and external anal sphincter are frequently damaged during child birth related injuries to the pelvic floor; we propose the use of MR-DTI based global tractography as a non-invasive imaging technique to assess damage to these muscles

Estudio de la conectividad neurológica mediante machine learning

La tractografía es una técnica de imagen médica que permite el estudio de la conectividad neurológica. Se aplica al estudio de alteraciones en la conectividad asociadas a enfermedades neurodegenerativas, accidentes cerebrovasculares y en la planificación de neurocirugías. Esta técnica emplea datos de resonancia magnética ponderada en difusión para reconstruir los tractos de sustancia blanca que conforman el cerebro. Actualmente, cuando se desea examinar una región específica, se realiza un proceso llamado disección virtual. Este proceso implica la selección manual de las fibras nerviosas de interés y requiere una considerable cantidad de tiempo, así como un alto grado de conocimiento de la anatomía cerebral. Los avances recientes en técnicas de visión por computadora y aprendizaje automático en el ámbito de la imagen médica han permitido el desarrollo de modelos con alta precisión en tareas de segmentación de imágenes. Este TFG propone una técnica novedosa para la automatización de este proceso, reduciendo así el tiempo requerido y la necesidad de experiencia extensa en neuroanatomía. Concretamente, se ha implementado una 3D UNet que aprovecha la información espacial de las resonancias magnéticas para mejorar la segmentación de los tractos nerviosos, propuesta que ha sido aceptada para una publicación científica. Además, se ha realizado un estudio de los principales enfoques propuestos desde el ámbito del aprendizaje automático para la resolución de esta tarea

A Review of 4DCT Imaging and Reconstruction Methods

In this paper, the main literature related to 4DCT imaging and reconstruction techniques over the past 20 years is reviewed, and the contents are summarized. This paper provides a systematic and comprehensive introduction to 4DCT research from five perspectives: the concept of 4DCT, scanning mode and imaging method, reconstruction algorithm, application, research status, and future development expectations. In this study, five types of reconstruction algorithms are summarized, and the advantages, disadvantages, and research difficulties of each algorithm are briefly evaluated. Finally, we conduct a brief statistical analysis on the cited works from the perspective of reconstruction methods, revealing the research progress and future research trends of 4DCT reconstruction algorithms

Modelagem de aparência baseada em biofísica para tecidos do fígado humano

A representação gráfica de tecidos humanos é uma importante demanda para aplicações de áreas como ensino, entretenimento e treinamento médico. Frequentemente, a simulação de tais materiais envolve considerar características dinâmicas vinculadas as suas funções no corpo humano e que influenciam diretamente também em sua aparência. O fígado humano, apesar de um órgão interno, portanto, de difícil acesso, possui diferentes modelos de representação apresentados na literatura da Computação Gráfica (CG). Entretanto, tais modelos desconsideram as influências das propriedades ópticas dos elementos biofísicos que compõem os tecidos hepáticos, fornecendo assim, aproximações cuja parametrização controla apenas um estado específico do material orgânico, em geral, avaliando visualmente o resultado. O presente trabalho apresenta a modelagem dos tecidos do fígado humano através da descrição dos elementos biofísicos que compõem suas camadas estruturais: o parênquima e a cápsula de Glisson. Além disso, tal modelo implementa a interação luz-matéria em termos de eventos como a absorção, dispersão, reflexão e transmissão de luz, como processos biológicos que produzem a coloração específica do material, ou seja, sua resposta espectral. A abordagem matemática do modelo é definida como numérica e estocástica, para a qual é apresentada uma solução para garantir sua convergência. Reunindo recentes descrições sobre a estrutura dos tecidos hepáticos e sua interação com a luz apresentadas na literatura biomédica, o modelo desenvolvido representa a primeira solução baseada em biofísica para um órgão interno do corpo humano. Os resultados de imagens geradas através do modelo são apresentados junto a fotografias de tecidos análogos, assim como, curvas de respostas espectrais e espaciais disponíveis na literatura biomédica são comparadas com as produzidas pelo modelo desenvolvido, evidenciando a capacidade deste na representação gráfica do tecido hepático

Estudo e desenvolvimento de algoritmos de esqueletização com aplicação em redes vasculares ósseas

Although a common technique, the radiotherapy can cause damage to bone repair, such as decrease in vascularization. However, the bone vascular network has an important role in capacity of bone regeneration because it provides oxygen and nutrients, therefore, tools that helps the analysis of vascular networks are important for the study of various therapies that have influence on the bone repair. In order to analyze such networks, we mande three-dimensional reconstructions of collected images from the sectioning of a mouse femurs that received radiation doses in the left femur, while the right was not irradiated and used for control. In order to aid the analysis of these volumes, skeletonization techniques were used to decrease the amount of the objects’s information and make the analysis more accurate and efficient. However, there are several types of skeletonization algorithms which uses different approachs as based on Forcefield, Thinning, based on Distance Transform, Geometrical and based on Wave Propagation. In order to analyze which of them produces the best results in vascular networks, an implementation of each type was chosen to be tested and analyzed in vascular network volumes. Furthermore, the algorithm chosen to represent the methods based on Wave Propagation was developed and proposed in this work exclusively to extract vascular networks. Finally, the skeletons of the vascular networks reproduced the network studied with clarity and enabled the conclusion of analysis related to the radiation impact on vascular topology. In addition, the comparison between the types of skeletonization algorithms allowed a deep study about the subject and on the various curve skeletons characteristics that can be used to classify and compare the methods in the literature.Dissertação (Mestrado)Apesar de ser uma técnica muito difundida, a radioterapia pode causar danos ao reparo ósseo, como por exemplo, a diminuição da vascularização. Entretanto, a rede vascular óssea tem um papel importante na capacidade de regeneração dos ossos, pois fornece oxigênio e nutrientes essenciais, logo, ferramentas que auxiliem a análise dessas redes são importantes para o estudo de diversas terapias que têm influência sobre o tecido ósseo. Para analisar tais redes foi feita a reconstrução tridimensional de imagens coletadas a partir do seccionamento dos fêmures de um rato que recebeu doses de radiação em seu fêmur esquerdo, enquanto que o direito não foi irradiado sendo, portanto, utilizado para controle. Com o objetivo de auxiliar a análise desses volumes foi utilizada a técnica de esqueletização, que tem a finalidade de diminuir a quantidade de informação dos objetos e tornar a análise mais precisa e eficiente. Entretanto, existem diversos tipos de algoritmos esqueletização, sendo eles, de Afinamento, Geométricos, baseados na Transformada Distância, em Campo de Força e em Propagação de Ondas. Com o objetivo de analisar qual deles produz melhores resultados em volumes de redes vasculares foi escolhida uma implementação de cada tipo para ser testada e analisada em volumes pertencentes às redes vasculares. Além disso, o algoritmo escolhido para representar os métodos baseados em Propagação de Ondas foi desenvolvido e proposto neste trabalho exclusivamente para extrair canais de redes vasculares. Por fim, os esqueletos das redes vasculares conseguiram reproduzir com clareza a rede estudada e possibilitaram a conclusão de análises relacionadas ao impacto da radioterapia sobre a topologia vascular. Além disso, a comparação entre os tipos de algoritmos de esqueletização possibilitou um estudo aprofundado sobre o tema e sobre as diversas características de esqueletos de curva que podem ser usadas para classificar e comparar os métodos presentes na literatura