Computational Methods and Graphical Processing Units for Real-time Control of Tomographic Adaptive Optics on Extremely Large Telescopes.

Ground based optical telescopes suffer from limited imaging resolution as a result of the effects of atmospheric turbulence on the incoming light. Adaptive optics technology has so far been very successful in correcting these effects, providing nearly diffraction limited images. Extremely Large Telescopes will require more complex Adaptive Optics configurations that introduce the need for new mathematical models and optimal solvers. In addition, the amount of data to be processed in real time is also greatly increased, making the use of conventional computational methods and hardware inefficient, which motivates the study of advanced computational algorithms, and implementations on parallel processors. Graphical Processing Units (GPUs) are massively parallel processors that have so far demonstrated a very high increase in speed compared to CPUs and other devices, and they have a high potential to meet the real-time restrictions of adaptive optics systems. This thesis focuses on the study and evaluation of existing proposed computational algorithms with respect to computational performance, and their implementation on GPUs. Two basic methods, one direct and one iterative are implemented and tested and the results presented provide an evaluation of the basic concept upon which other algorithms are based, and demonstrate the benefits of using GPUs for adaptive optics

Novel high performance techniques for high definition computer aided tomography

Mención Internacional en el título de doctorMedical image processing is an interdisciplinary field in which multiple research areas are involved: image acquisition, scanner design, image reconstruction algorithms, visualization, etc. X-Ray Computed Tomography (CT) is a medical imaging modality based on the attenuation suffered by the X-rays as they pass through the body. Intrinsic differences in attenuation properties of bone, air, and soft tissue result in high-contrast images of anatomical structures. The main objective of CT is to obtain tomographic images from radiographs acquired using X-Ray scanners. The process of building a 3D image or volume from the 2D radiographs is known as reconstruction. One of the latest trends in CT is the reduction of the radiation dose delivered to patients through the decrease of the amount of acquired data. This reduction results in artefacts in the final images if conventional reconstruction methods are used, making it advisable to employ iterative reconstruction algorithms. There are numerous reconstruction algorithms available, from which we can highlight two specific types: traditional algorithms, which are fast but do not enable the obtaining of high quality images in situations of limited data; and iterative algorithms, slower but more reliable when traditional methods do not reach the quality standard requirements. One of the priorities of reconstruction is the obtaining of the final images in near real time, in order to reduce the time spent in diagnosis. To accomplish this objective, new high performance techniques and methods for accelerating these types of algorithms are needed. This thesis addresses the challenges of both traditional and iterative reconstruction algorithms, regarding acceleration and image quality. One common approach for accelerating these algorithms is the usage of shared-memory and heterogeneous architectures. In this thesis, we propose a novel simulation/reconstruction framework, namely FUX-Sim. This framework follows the hypothesis that the development of new flexible X-ray systems can benefit from computer simulations, which may also enable performance to be checked before expensive real systems are implemented. Its modular design abstracts the complexities of programming for accelerated devices to facilitate the development and evaluation of the different configurations and geometries available. In order to obtain near real execution times, low-level optimizations for the main components of the framework are provided for Graphics Processing Unit (GPU) architectures. Other alternative tackled in this thesis is the acceleration of iterative reconstruction algorithms by using distributed memory architectures. We present a novel architecture that unifies the two most important computing paradigms for scientific computing nowadays: High Performance Computing (HPC). The proposed architecture combines Big Data frameworks with the advantages of accelerated computing. The proposed methods presented in this thesis provide more flexible scanner configurations as they offer an accelerated solution. Regarding performance, our approach is as competitive as the solutions found in the literature. Additionally, we demonstrate that our solution scales with the size of the problem, enabling the reconstruction of high resolution images.El procesamiento de imágenes médicas es un campo interdisciplinario en el que participan múltiples áreas de investigación como la adquisición de imágenes, diseño de escáneres, algoritmos de reconstrucción de imágenes, visualización, etc. La tomografía computarizada (TC) de rayos X es una modalidad de imágen médica basada en el cálculo de la atenuación sufrida por los rayos X a medida que pasan por el cuerpo a escanear. Las diferencias intrínsecas en la atenuación de hueso, aire y tejido blando dan como resultado imágenes de alto contraste de estas estructuras anatómicas. El objetivo principal de la TC es obtener imágenes tomográficas a partir estas radiografías obtenidas mediante escáneres de rayos X. El proceso de construir una imagen o volumen en 3D a partir de las radiografías 2D se conoce como reconstrucción. Una de las últimas tendencias en la tomografía computarizada es la reducción de la dosis de radiación administrada a los pacientes a través de la reducción de la cantidad de datos adquiridos. Esta reducción da como resultado artefactos en las imágenes finales si se utilizan métodos de reconstrucción convencionales, por lo que es aconsejable emplear algoritmos de reconstrucción iterativos. Existen numerosos algoritmos de reconstrucción disponibles a partir de los cuales podemos destacar dos categorías: algoritmos tradicionales, rápidos pero no permiten obtener imágenes de alta calidad en situaciones en las que los datos son limitados; y algoritmos iterativos, más lentos pero más estables en situaciones donde los métodos tradicionales no alcanzan los requisitos en cuanto a la calidad de la imagen. Una de las prioridades de la reconstrucción es la obtención de las imágenes finales en tiempo casi real, con el fin de reducir el tiempo de diagnóstico. Para lograr este objetivo, se necesitan nuevas técnicas y métodos de alto rendimiento para acelerar estos algoritmos. Esta tesis aborda los desafíos de los algoritmos de reconstrucción tradicionales e iterativos, con respecto a la aceleración y la calidad de imagen. Un enfoque común para acelerar estos algoritmos es el uso de arquitecturas de memoria compartida y heterogéneas. En esta tesis, proponemos un nuevo sistema de simulación/reconstrucción, llamado FUX-Sim. Este sistema se construye alrededor de la hipótesis de que el desarrollo de nuevos sistemas de rayos X flexibles puede beneficiarse de las simulaciones por computador, en los que también se puede realizar un control del rendimiento de los nuevos sistemas a desarrollar antes de su implementación física. Su diseño modular abstrae las complejidades de la programación para aceleradores con el objetivo de facilitar el desarrollo y la evaluación de las diferentes configuraciones y geometrías disponibles. Para obtener ejecuciones en casi tiempo real, se proporcionan optimizaciones de bajo nivel para los componentes principales del sistema en las arquitecturas GPU. Otra alternativa abordada en esta tesis es la aceleración de los algoritmos de reconstrucción iterativa mediante el uso de arquitecturas de memoria distribuidas. Presentamos una arquitectura novedosa que unifica los dos paradigmas informáticos más importantes en la actualidad: computación de alto rendimiento (HPC) y Big Data. La arquitectura propuesta combina sistemas Big Data con las ventajas de los dispositivos aceleradores. Los métodos propuestos presentados en esta tesis proporcionan configuraciones de escáner más flexibles y ofrecen una solución acelerada. En cuanto al rendimiento, nuestro enfoque es tan competitivo como las soluciones encontradas en la literatura. Además, demostramos que nuestra solución escala con el tamaño del problema, lo que permite la reconstrucción de imágenes de alta resolución.This work has been mainly funded thanks to a FPU fellowship (FPU14/03875) from the Spanish Ministry of Education. It has also been partially supported by other grants: • DPI2016-79075-R. “Nuevos escenarios de tomografía por rayos X”, from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness. • TIN2016-79637-P Towards unification of HPC and Big Data Paradigms from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness. • Short-term scientific missions (STSM) grant from NESUS COST Action IC1305. • TIN2013-41350-P, Scalable Data Management Techniques for High-End Computing Systems from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness. • RTC-2014-3028-1 NECRA Nuevos escenarios clinicos con radiología avanzada from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness.Programa Oficial de Doctorado en Ciencia y Tecnología InformáticaPresidente: José Daniel García Sánchez.- Secretario: Katzlin Olcoz Herrero.- Vocal: Domenico Tali

NASA Tech Briefs, September 1993

Topics include: Microelectronics; Electronic Components and Circuits; Electronic Systems; Physical Sciences; Materials; Computer Programs; Mechanics; Machinery/Automation; Manufacturing/Fabrication; Mathematics and Information Sciences; Life Sciences; Books and Reports

Contributions to the improvement of image quality in CBCT and CBμCT and application in the development of a CBμCT system

During the last years cone-beam x-ray CT (CBCT) has been established as a widespread imaging technique and a feasible alternative to conventional CT for dedicated imaging tasks for which the limited flexibility offered by conventional CT advises the development of dedicated designs. CBCT systems are starting to be routinely used in image guided radiotherapy; image guided surgery using C-arms; scan of body parts such as the sinuses, the breast or extremities; and, especially, in preclinical small-animal imaging, often coupled to molecular imaging systems. Despite the research efforts advocated to the advance of CBCT, the challenges introduced by the use of large cone angles and two-dimensional detectors are a field of vigorous research towards the improvement of CBCT image quality. Moreover, systems for small-animal imaging add to the challenges posed by clinical CBCT the need of higher resolution to obtain equivalent image quality in much smaller subjects. This thesis contributes to the progress of CBCT imaging by addressing a variety of issues affecting image quality in CBCT in general and in CBCT for small-animal imaging (CBμCT). As part of this work we have assessed and optimized the performance of CBμCT systems for different imaging tasks. To this end, we have developed a new CBμCT system with variable geometry and all the required software tools for acquisition, calibration and reconstruction. The system served as a tool for the optimization of the imaging process and for the study of image degradation effects in CBμCT, as well as a platform for biological research using small animals. The set of tools for the accurate study of CBCT was completed by developing a fast Monte Carlo simulation engine based on GPUs, specifically devoted to the realistic estimation of scatter and its effects on image quality in arbitrary CBCT configurations, with arbitrary spectra, detector response, and antiscatter grids. This new Monte Carlo engine outperformed current simulation platforms by more than an order of magnitude. Due to the limited options for simulation of spectra in microfocus x-ray sources used in CBμCT, we contributed in this thesis a new spectra generation model based on an empirical model for conventional radiology and mammography sources modified in accordance to experimental data. The new spectral model showed good agreement with experimental exposure and attenuation data for different materials. The developed tools for CBμCT research were used for the study of detector performance in terms of dynamic range. The dynamic range of the detector was characterized together with its effect on image quality. As a result, a new simple method for the extension of the dynamic range of flat-panel detectors was proposed and evaluated. The method is based on a modified acquisition process and a mathematical treatment of the acquired data. Scatter is usually identified as one of the major causes of image quality degradation in CBCT. For this reason the developed Monte Carlo engine was applied to the in-depth study of the effects of scatter for a representative range of CBCT embodiments used in the clinical and preclinical practice. We estimated the amount and spatial distribution of the total scatter fluence and the individual components within. The effect of antiscatter grids in improving image quality and in noise was also evaluated. We found a close relation between scatter and the air gap of the system, in line with previous results in the literature. We also observed a non-negligible contribution of forward-directed scatter that is responsible to a great extent for streak artifacts in CBCT. The spatial distribution of scatter was significantly affected by forward scatter, somewhat challenging the usual assumption that the scatter distribution mostly contains low-frequencies. Antiscatter grids showed to be effective for the reduction of cupping, but they showed a much lower performance when dealing with streaks and a shift toward high frequencies of the scatter distributions. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A lo largo de los últimos años, el TAC de rayos X de haz cónico (CBCT, de “conebeam” CT) se ha posicionado como una de las técnicas de imagen más ampliamente usadas. El CBCT se ha convertido en una alternativa factible al TAC convencional en tareas de imagen específicas para las que la flexibilidad limitada ofrecida por este hace recomendable el desarrollo de sistemas de imagen dedicados. De esta forma, el CBCT está empezando a usarse de forma rutinaria en varios campos entre los que se incluyen la radioterapia guiada por imagen, la cirugía guiada por imagen usando arcos en C, imagen de partes de la anatomía en las que el TAC convencional no es apropiado, como los senos nasales, las extremidades o la mama, y, especialmente el campo de imagen preclínica con pequeño animal. Los sistemas CBCT usados en este último campo se encuentran habitualmente combinados con sistemas de imagen molecular. A pesar del trabajo de investigación dedicado al avance de la técnica CBCT en los últimos años, los retos introducidos por el uso de haces cónicos y de detectores bidimensionales son un campo candente para la investigación médica, con el objetivo de obtener una calidad de imagen equivalente o superior a la proporcionada por el TAC convencional. En el caso de imagen preclínica, a los retos generados por el uso de CBCT se une la necesidad de una mayor resolución de imagen que permita observar estructuras anatómicas con el mismo nivel de detalle obtenido para humanos. Esta tesis contribuye al progreso del CBCT mediante el estudio de usa serie de efectos que afectan a la calidad de imagen de CBCT en general y en el ámbito preclínico en particular. Como parte de este trabajo, hemos evaluado y optimizado el rendimiento de sistemas CBCT preclínicos en función de la tarea de imagen concreta. Con este fin se ha desarrollado un sistema CBCT para pequeños animales con geometría variable y todas las herramientas necesarias para la adquisición, calibración y reconstrucción de imagen. El sistema sirve como base para la optimización de protocolos de adquisición y para el estudio de fuentes de degradación de imagen además de constituir una plataforma para la investigación biológica en pequeño animal. El conjunto de herramientas para el estudio del CBCT se completó con el desarrollo de una plataforma acelerada de simulación Monte Carlo basada en GPUs, optimizada para la estimación de radiación dispersa en CBCT y sus efectos en la calidad de imagen. La plataforma desarrollada supera el rendimiento de las actuales en más de un orden de magnitud y permite la inclusión de espectros policromáticos de rayos X, de la respuesta realista del detector y de rejillas antiscatter. Debido a las escasas opciones ofrecidas por la literatura para la estimación de espectros de rayos X para fuentes microfoco usadas en imagen preclínica, en esta tesis se incluye el desarrollo de un nuevo modelo de generación de espectros, basado en un modelo existente para fuentes usadas en radiología y mamografía. El modelo fue modificado a partir de datos experimentales. La precisión del modelo presentado se comprobó mediante datos experimentales de exposición y atenuación para varios materiales. Las herramientas desarrolladas se usaron para estudiar el rendimiento de detectores de rayos tipo flat-panel en términos de rango dinámico, explorando los límites impuestos por el mismo en la calidad de imagen. Como resultado se propuso y evaluó un método para la extensión del rango dinámico de este tipo de detectores. El método se basa en la modificación del proceso de adquisición de imagen y en una etapa de postproceso de los datos adquiridos. El simulador Monte Carlo se empleó para el estudio detallado de la naturaleza, distribución espacial y efectos de la radiación dispersa en un rango de sistemas CBCT que cubre el espectro de aplicaciones propuestas en el entorno clínico y preclínico. Durante el estudio se inspeccionó la cantidad y distribución espacial de radiación dispersa y de sus componentes individuales y el efecto causado por la inclusión de rejillas antiscatter en términos de mejora de calidad de imagen y de ruido en la imagen. La distribución de radiación dispersa mostró una acentuada relación con la distancia entre muestra y detector en el equipo, en línea con resultados publicados previamente por otros autores. También se encontró una influencia no despreciable de componentes de radiación dispersa con bajos ángulos de desviación, poniendo en tela de juicio la tradicional asunción que considera que la distribución espacial de la radiación dispersa está formada casi exclusivamente por componentes de muy baja frecuencia. Las rejillas antiscatter demostraron ser efectivas para la reducción del artefacto de cupping, pero su efectividad para tratar artefactos en forma de línea (principalmente formados por radiación dispersa con bajo ángulo de desviación) resultó mucho menor. La inclusión de estas rejillas también enfatiza las componentes de alta frecuencia de la distribución espacial de la radiación dispersa

ESARDA 37th Annual Meeting Proceedings

The 37th ESARDA symposium on Safeguards and Nuclear Non-Proliferation was held in Manchester, United Kingdom from 19-21 May, 2015. The Symposium has been preceded by meetings of the ESARDA Working Groups on 18 May 2015. The event has once again been an opportunity for research organisations, safeguards authorities and nuclear plant operators to exchange information on new aspects of international safeguards and non-proliferation, as well as recent developments in nuclear safeguards and non-proliferation related research activities and their implications for the safeguards community. The Proceedings contains the papers (118) submitted according to deadlines.JRC.E.8-Nuclear securit