Sub-pixel Registration In Computational Imaging And Applications To Enhancement Of Maxillofacial Ct Data

In computational imaging, data acquired by sampling the same scene or object at different times or from different orientations result in images in different coordinate systems. Registration is a crucial step in order to be able to compare, integrate and fuse the data obtained from different measurements. Tomography is the method of imaging a single plane or slice of an object. A Computed Tomography (CT) scan, also known as a CAT scan (Computed Axial Tomography scan), is a Helical Tomography, which traditionally produces a 2D image of the structures in a thin section of the body. It uses X-ray, which is ionizing radiation. Although the actual dose is typically low, repeated scans should be limited. In dentistry, implant dentistry in specific, there is a need for 3D visualization of internal anatomy. The internal visualization is mainly based on CT scanning technologies. The most important technological advancement which dramatically enhanced the clinician\u27s ability to diagnose, treat, and plan dental implants has been the CT scan. Advanced 3D modeling and visualization techniques permit highly refined and accurate assessment of the CT scan data. However, in addition to imperfections of the instrument and the imaging process, it is not uncommon to encounter other unwanted artifacts in the form of bright regions, flares and erroneous pixels due to dental bridges, metal braces, etc. Currently, removing and cleaning up the data from acquisition backscattering imperfections and unwanted artifacts is performed manually, which is as good as the experience level of the technician. On the other hand the process is error prone, since the editing process needs to be performed image by image. We address some of these issues by proposing novel registration methods and using stonecast models of patient\u27s dental imprint as reference ground truth data. Stone-cast models were originally used by dentists to make complete or partial dentures. The CT scan of such stone-cast models can be used to automatically guide the cleaning of patients\u27 CT scans from defects or unwanted artifacts, and also as an automatic segmentation system for the outliers of the CT scan data without use of stone-cast models. Segmented data is subsequently used to clean the data from artifacts using a new proposed 3D inpainting approach

Optical Methods in Sensing and Imaging for Medical and Biological Applications

The recent advances in optical sources and detectors have opened up new opportunities for sensing and imaging techniques which can be successfully used in biomedical and healthcare applications. This book, entitled ‘Optical Methods in Sensing and Imaging for Medical and Biological Applications’, focuses on various aspects of the research and development related to these areas. The book will be a valuable source of information presenting the recent advances in optical methods and novel techniques, as well as their applications in the fields of biomedicine and healthcare, to anyone interested in this subject

Advanced tracking and image registration techniques for intraoperative radiation therapy

Mención Internacional en el título de doctorIntraoperative electron radiation therapy (IOERT) is a technique used to deliver radiation to the surgically opened tumor bed without irradiating healthy tissue. Treatment planning systems and mobile linear accelerators enable clinicians to optimize the procedure, minimize stress in the operating room (OR) and avoid transferring the patient to a dedicated radiation room. However, placement of the radiation collimator over the tumor bed requires a validation methodology to ensure correct delivery of the dose prescribed in the treatment planning system. In this dissertation, we address three well-known limitations of IOERT: applicator positioning over the tumor bed, docking of the mobile linear accelerator gantry with the applicator and validation of the dose delivery prescribed. This thesis demonstrates that these limitations can be overcome by positioning the applicator appropriately with respect to the patient’s anatomy. The main objective of the study was to assess technological and procedural alternatives for improvement of IOERT performance and resolution of problems of uncertainty. Image-to-world registration, multicamera optical trackers, multimodal imaging techniques and mobile linear accelerator docking are addressed in the context of IOERT. IOERT is carried out by a multidisciplinary team in a highly complex environment that has special tracking needs owing to the characteristics of its working volume (i.e., large and prone to occlusions), in addition to the requisites of accuracy. The first part of this dissertation presents the validation of a commercial multicamera optical tracker in terms of accuracy, sensitivity to miscalibration, camera occlusions and detection of tools using a feasible surgical setup. It also proposes an automatic miscalibration detection protocol that satisfies the IOERT requirements of automaticity and speed. We show that the multicamera tracker is suitable for IOERT navigation and demonstrate the feasibility of the miscalibration detection protocol in clinical setups. Image-to-world registration is one of the main issues during image-guided applications where the field of interest and/or the number of possible anatomical localizations is large, such as IOERT. In the second part of this dissertation, a registration algorithm for image-guided surgery based on lineshaped fiducials (line-based registration) is proposed and validated. Line-based registration decreases acquisition time during surgery and enables better registration accuracy than other published algorithms. In the third part of this dissertation, we integrate a commercial low-cost ultrasound transducer and a cone beam CT C-arm with an optical tracker for image-guided interventions to enable surgical navigation and explore image based registration techniques for both modalities. In the fourth part of the dissertation, a navigation system based on optical tracking for the docking of the mobile linear accelerator to the radiation applicator is assessed. This system improves safety and reduces procedure time. The system tracks the prescribed collimator location to solve the movements that the linear accelerator should perform to reach the docking position and warns the user about potentially unachievable arrangements before the actual procedure. A software application was implemented to use this system in the OR, where it was also evaluated to assess the improvement in docking speed. Finally, in the last part of the dissertation, we present and assess the installation setup for a navigation system in a dedicated IOERT OR, determine the steps necessary for the IOERT process, identify workflow limitations and evaluate the feasibility of the integration of the system in a real OR. The navigation system safeguards the sterile conditions of the OR, clears the space available for surgeons and is suitable for any similar dedicated IOERT OR.La Radioterapia Intraoperatoria por electrones (RIO) consiste en la aplicación de radiación de alta energía directamente sobre el lecho tumoral, accesible durante la cirugía, evitando radiar los tejidos sanos. Hoy en día, avances como los sistemas de planificación (TPS) y la aparición de aceleradores lineales móviles permiten optimizar el procedimiento, minimizar el estrés clínico en el entorno quirúrgico y evitar el desplazamiento del paciente durante la cirugía a otra sala para ser radiado. La aplicación de la radiación se realiza mediante un colimador del haz de radiación (aplicador) que se coloca sobre el lecho tumoral de forma manual por el oncólogo radioterápico. Sin embargo, para asegurar una correcta deposición de la dosis prescrita y planificada en el TPS, es necesaria una adecuada validación de la colocación del colimador. En esta Tesis se abordan tres limitaciones conocidas del procedimiento RIO: el correcto posicionamiento del aplicador sobre el lecho tumoral, acoplamiento del acelerador lineal con el aplicador y validación de la dosis de radiación prescrita. Esta Tesis demuestra que estas limitaciones pueden ser abordadas mediante el posicionamiento del aplicador de radiación en relación con la anatomía del paciente. El objetivo principal de este trabajo es la evaluación de alternativas tecnológicas y procedimentales para la mejora de la práctica de la RIO y resolver los problemas de incertidumbre descritos anteriormente. Concretamente se revisan en el contexto de la radioterapia intraoperatoria los siguientes temas: el registro de la imagen y el paciente, sistemas de posicionamiento multicámara, técnicas de imagen multimodal y el acoplamiento del acelerador lineal móvil. El entorno complejo y multidisciplinar de la RIO precisa de necesidades especiales para el empleo de sistemas de posicionamiento como una alta precisión y un volumen de trabajo grande y propenso a las oclusiones de los sensores de posición. La primera parte de esta Tesis presenta una exhaustiva evaluación de un sistema de posicionamiento óptico multicámara comercial. Estudiamos la precisión del sistema, su sensibilidad a errores cometidos en la calibración, robustez frente a posibles oclusiones de las cámaras y precisión en el seguimiento de herramientas en un entorno quirúrgico real. Además, proponemos un protocolo para la detección automática de errores por calibración que satisface los requisitos de automaticidad y velocidad para la RIO demostrando la viabilidad del empleo de este sistema para la navegación en RIO. Uno de los problemas principales de la cirugía guiada por imagen es el correcto registro de la imagen médica y la anatomía del paciente en el quirófano. En el caso de la RIO, donde el número de posibles localizaciones anatómicas es bastante amplio, así como el campo de trabajo es grande se hace necesario abordar este problema para una correcta navegación. Por ello, en la segunda parte de esta Tesis, proponemos y validamos un nuevo algoritmo de registro (LBR) para la cirugía guiada por imagen basado en marcadores lineales. El método propuesto reduce el tiempo de la adquisición de la posición de los marcadores durante la cirugía y supera en precisión a otros algoritmos de registro establecidos y estudiados en la literatura. En la tercera parte de esta tesis, integramos un transductor de ultrasonido comercial de bajo coste, un arco en C de rayos X con haz cónico y un sistema de posicionamiento óptico para intervenciones guiadas por imagen que permite la navegación quirúrgica y exploramos técnicas de registro de imagen para ambas modalidades. En la cuarta parte de esta tesis se evalúa un navegador basado en el sistema de posicionamiento óptico para el acoplamiento del acelerador lineal móvil con aplicador de radiación, mejorando la seguridad y reduciendo el tiempo del propio acoplamiento. El sistema es capaz de localizar el colimador en el espacio y proporcionar los movimientos que el acelerador lineal debe realizar para alcanzar la posición de acoplamiento. El sistema propuesto es capaz de advertir al usuario de aquellos casos donde la posición de acoplamiento sea inalcanzable. El sistema propuesto de ayuda para el acoplamiento se integró en una aplicación software que fue evaluada para su uso final en quirófano demostrando su viabilidad y la reducción de tiempo de acoplamiento mediante su uso. Por último, presentamos y evaluamos la instalación de un sistema de navegación en un quirófano RIO dedicado, determinamos las necesidades desde el punto de vista procedimental, identificamos las limitaciones en el flujo de trabajo y evaluamos la viabilidad de la integración del sistema en un entorno quirúrgico real. El sistema propuesto demuestra ser apto para el entorno RIO manteniendo las condiciones de esterilidad y dejando despejado el campo quirúrgico además de ser adaptable a cualquier quirófano similar.Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y ComunicacionesPresidente: Raúl San José Estépar.- Secretario: María Arrate Muñoz Barrutia.- Vocal: Carlos Ferrer Albiac

Multidimensional embedded MEMS motion detectors for wearable mechanocardiography and 4D medical imaging

Background: Cardiovascular diseases are the number one cause of death. Of these deaths, almost 80% are due to coronary artery disease (CAD) and cerebrovascular disease. Multidimensional microelectromechanical systems (MEMS) sensors allow measuring the mechanical movement of the heart muscle offering an entirely new and innovative solution to evaluate cardiac rhythm and function. Recent advances in miniaturized motion sensors present an exciting opportunity to study novel device-driven and functional motion detection systems in the areas of both cardiac monitoring and biomedical imaging, for example, in computed tomography (CT) and positron emission tomography (PET). Methods: This Ph.D. work describes a new cardiac motion detection paradigm and measurement technology based on multimodal measuring tools — by tracking the heart’s kinetic activity using micro-sized MEMS sensors — and novel computational approaches — by deploying signal processing and machine learning techniques—for detecting cardiac pathological disorders. In particular, this study focuses on the capability of joint gyrocardiography (GCG) and seismocardiography (SCG) techniques that constitute the mechanocardiography (MCG) concept representing the mechanical characteristics of the cardiac precordial surface vibrations. Results: Experimental analyses showed that integrating multisource sensory data resulted in precise estimation of heart rate with an accuracy of 99% (healthy, n=29), detection of heart arrhythmia (n=435) with an accuracy of 95-97%, ischemic disease indication with approximately 75% accuracy (n=22), as well as significantly improved quality of four-dimensional (4D) cardiac PET images by eliminating motion related inaccuracies using MEMS dual gating approach. Tissue Doppler imaging (TDI) analysis of GCG (healthy, n=9) showed promising results for measuring the cardiac timing intervals and myocardial deformation changes. Conclusion: The findings of this study demonstrate clinical potential of MEMS motion sensors in cardiology that may facilitate in time diagnosis of cardiac abnormalities. Multidimensional MCG can effectively contribute to detecting atrial fibrillation (AFib), myocardial infarction (MI), and CAD. Additionally, MEMS motion sensing improves the reliability and quality of cardiac PET imaging.Moniulotteisten sulautettujen MEMS-liiketunnistimien käyttö sydänkardiografiassa sekä lääketieteellisessä 4D-kuvantamisessa Tausta: Sydän- ja verisuonitaudit ovat yleisin kuolinsyy. Näistä kuolemantapauksista lähes 80% johtuu sepelvaltimotaudista (CAD) ja aivoverenkierron häiriöistä. Moniulotteiset mikroelektromekaaniset järjestelmät (MEMS) mahdollistavat sydänlihaksen mekaanisen liikkeen mittaamisen, mikä puolestaan tarjoaa täysin uudenlaisen ja innovatiivisen ratkaisun sydämen rytmin ja toiminnan arvioimiseksi. Viimeaikaiset teknologiset edistysaskeleet mahdollistavat uusien pienikokoisten liiketunnistusjärjestelmien käyttämisen sydämen toiminnan tutkimuksessa sekä lääketieteellisen kuvantamisen, kuten esimerkiksi tietokonetomografian (CT) ja positroniemissiotomografian (PET), tarkkuuden parantamisessa. Menetelmät: Tämä väitöskirjatyö esittelee uuden sydämen kineettisen toiminnan mittaustekniikan, joka pohjautuu MEMS-anturien käyttöön. Uudet laskennalliset lähestymistavat, jotka perustuvat signaalinkäsittelyyn ja koneoppimiseen, mahdollistavat sydämen patologisten häiriöiden havaitsemisen MEMS-antureista saatavista signaaleista. Tässä tutkimuksessa keskitytään erityisesti mekanokardiografiaan (MCG), joihin kuuluvat gyrokardiografia (GCG) ja seismokardiografia (SCG). Näiden tekniikoiden avulla voidaan mitata kardiorespiratorisen järjestelmän mekaanisia ominaisuuksia. Tulokset: Kokeelliset analyysit osoittivat, että integroimalla usean sensorin dataa voidaan mitata syketiheyttä 99% (terveillä n=29) tarkkuudella, havaita sydämen rytmihäiriöt (n=435) 95-97%, tarkkuudella, sekä havaita iskeeminen sairaus noin 75% tarkkuudella (n=22). Lisäksi MEMS-kaksoistahdistuksen avulla voidaan parantaa sydämen 4D PET-kuvan laatua, kun liikeepätarkkuudet voidaan eliminoida paremmin. Doppler-kuvantamisessa (TDI, Tissue Doppler Imaging) GCG-analyysi (terveillä, n=9) osoitti lupaavia tuloksia sydänsykkeen ajoituksen ja intervallien sekä sydänlihasmuutosten mittaamisessa. Päätelmä: Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että kardiologisilla MEMS-liikeantureilla on kliinistä potentiaalia sydämen toiminnallisten poikkeavuuksien diagnostisoinnissa. Moniuloitteinen MCG voi edistää eteisvärinän (AFib), sydäninfarktin (MI) ja CAD:n havaitsemista. Lisäksi MEMS-liiketunnistus parantaa sydämen PET-kuvantamisen luotettavuutta ja laatua

Técnicas de coste reducido para el posicionamiento del paciente en radioterapia percutánea utilizando un sistema de imágenes ópticas

Patient positioning is an important part of radiation therapy which is one of the main solutions for the treatment of malignant tissue in the human body. Currently, the most common patient positioning methods expose healthy tissue of the patient's body to extra dangerous radiations. Other non-invasive positioning methods are either not very accurate or are very costly for an average hospital. In this thesis, we explore the possibility of developing a system comprised of affordable hardware and advanced computer vision algorithms that facilitates patient positioning. Our algorithms are based on the usage of affordable RGB-D sensors, image features, ArUco planar markers, and other geometry registration methods. Furthermore, we take advantage of consumer-level computing hardware to make our systems widely accessible. More specifically, we avoid the usage of approaches that need to take advantage of dedicated GPU hardware for general-purpose computing since they are more costly. In different publications, we explore the usage of the mentioned tools to increase the accuracy of reconstruction/localization of the patient in its pose. We also take into account the visualization of the patient's target position with respect to their current position in order to assist the person who performs patient positioning. Furthermore, we make usage of augmented reality in conjunction with a real-time 3D tracking algorithm for better interaction between the program and the operator. We also solve more fundamental problems about ArUco markers that could be used in the future to improve our systems. These include highquality multi-camera calibration and mapping using ArUco markers plus detection of these markers in event cameras which are very useful in the presence of fast camera movement. In the end, we conclude that it is possible to increase the accuracy of 3D reconstruction and localization by combining current computer vision algorithms with fiducial planar markers with RGB-D sensors. This is reflected in the low amount of error we have achieved in our experiments for patient positioning, pushing forward the state of the art for this application.En el tratamiento de tumores malignos en el cuerpo, el posicionamiento del paciente en las sesiones de radioterapia es una cuestión crucial. Actualmente, los métodos más comunes de posicionamiento del paciente exponen tejido sano del mismo a radiaciones peligrosas debido a que no es posible asegurar que la posición del paciente siempre sea la misma que la que tuvo cuando se planificó la zona a radiar. Los métodos que se usan actualmente, o no son precisos o tienen costes que los hacen inasequibles para ser usados en hospitales con financiación limitada. En esta Tesis hemos analizado la posibilidad de desarrollar un sistema compuesto por hardware de bajo coste y métodos avanzados de visión por ordenador que ayuden a que el posicionamiento del paciente sea el mismo en las diferentes sesiones de radioterapia, con respecto a su pose cuando fue se planificó la zona a radiar. La solución propuesta como resultado de la Tesis se basa en el uso de sensores RGB-D, características extraídas de la imagen, marcadores cuadrados denominados ArUco y métodos de registro de la geometría en la imagen. Además, en la solución propuesta, se aprovecha la existencia de hardware convencional de bajo coste para hacer nuestro sistema ampliamente accesible. Más específicamente, evitamos el uso de enfoques que necesitan aprovechar GPU, de mayores costes, para computación de propósito general. Se han obtenido diferentes publicaciones para conseguir el objetivo final. Las mismas describen métodos para aumentar la precisión de la reconstrucción y la localización del paciente en su pose, teniendo en cuenta la visualización de la posición ideal del paciente con respecto a su posición actual, para ayudar al profesional que realiza la colocación del paciente. También se han propuesto métodos de realidad aumentada junto con algoritmos para seguimiento 3D en tiempo real para conseguir una mejor interacción entre el sistema ideado y el profesional que debe realizar esa labor. De forma añadida, también se han propuesto soluciones para problemas fundamentales relacionados con el uso de marcadores cuadrados que han sido utilizados para conseguir el objetivo de la Tesis. Las soluciones propuestas pueden ser empleadas en el futuro para mejorar otros sistemas. Los problemas citados incluyen la calibración y el mapeo multicámara de alta calidad utilizando los marcadores y la detección de estos marcadores en cámaras de eventos, que son muy útiles en presencia de movimientos rápidos de la cámara. Al final, concluimos que es posible aumentar la precisión de la reconstrucción y localización en 3D combinando los actuales algoritmos de visión por ordenador, que usan marcadores cuadrados de referencia, con sensores RGB-D. Los resultados obtenidos con respecto al error que el sistema obtiene al reproducir el posicionamiento del paciente suponen un importante avance en el estado del arte de este tópico

Artificial Intelligence in Radiation Therapy

Artificial intelligence (AI) has great potential to transform the clinical workflow of radiotherapy. Since the introduction of deep neural networks, many AI-based methods have been proposed to address challenges in different aspects of radiotherapy. Commercial vendors have started to release AI-based tools that can be readily integrated to the established clinical workflow. To show the recent progress in AI-aided radiotherapy, we have reviewed AI-based studies in five major aspects of radiotherapy including image reconstruction, image registration, image segmentation, image synthesis, and automatic treatment planning. In each section, we summarized and categorized the recently published methods, followed by a discussion of the challenges, concerns, and future development. Given the rapid development of AI-aided radiotherapy, the efficiency and effectiveness of radiotherapy in the future could be substantially improved through intelligent automation of various aspects of radiotherapy

Radiomics in prostate cancer: an up-to-date review

: Prostate cancer (PCa) is the most common worldwide diagnosed malignancy in male population. The diagnosis, the identification of aggressive disease, and the post-treatment follow-up needs a more comprehensive and holistic approach. Radiomics is the extraction and interpretation of images phenotypes in a quantitative manner. Radiomics may give an advantage through advancements in imaging modalities and through the potential power of artificial intelligence techniques by translating those features into clinical outcome prediction. This article gives an overview on the current evidence of methodology and reviews the available literature on radiomics in PCa patients, highlighting its potential for personalized treatment and future applications

Developing preclinical devices for neuroscience research in the fields of animal tracking, fMRI acquisition, and 3D histology cutting

[ES] La neurociencia es un campo que abarca muchas especialidades. El objetivo de esta tesis es subsanar algunas carencias tecnológicas que existen en los métodos actuales de experimentación animal en neurociencia. En esta tesis, se presentan seis proyectos, que tendrán como objetivo mejorar el "Principio de las tres R", el cual fue enunciado por los biólogos ingleses W. M. S. Russell y R. L. Burch, durante la experimentación animal. El comportamiento es uno de los aspectos más importantes de la vida animal. Depende de los vínculos entre los animales, sus sistemas nerviosos y sus entornos. Para estudiar el comportamiento de los animales de laboratorio, se necesitan varias herramientas, pero una herramienta de seguimiento es esencial para llevar a cabo un estudio de comportamiento exhaustivo. Varias herramientas de seguimiento visual están actualmente disponibles. Sin embargo, todas tienen algunos inconvenientes. Por ejemplo, en una situación en la que un animal está dentro de una madriguera o cerca de otros animales, las cámaras de rastreo (tracking) no siempre pueden detectar la ubicación precisa o el movimiento del animal. Por esta razón, los entornos enriquecidos para intentar recrear el hábitat natural de los animales en experimentación no pueden utilizarse, ya que los datos recopilados son insuficientes/inexactos. Con la finalidad de mejorar los experimentos de tracking RFID Assisted Tracking Tile (RATT) es presentado en esta tesis. RATT es un sistema de seguimiento basado en tecnología de identificación pasiva de radiofrecuencia (RFID) y está compuesto por baldosas electrónicas con las que se puede construir una gran superficie, sobre la cual los animales pueden moverse libremente. Esto permite la identificación más precisa de los animales, así como el seguimiento de sus movimientos. Este sistema, que también se puede combinar con un sistema de seguimiento con cámaras, allana el camino para estudios completos de comportamiento en entornos enriquecidos. Dada la capacidad de rastrear animales y, por lo tanto, realizar experimentos de comportamiento exhaustivos, es posible observar cómo se comportan los sujetos desde un punto de vista externo. Sin embargo, si queremos comprender lo que sucede en el cerebro de estos sujetos, es necesario aplicar otras técnicas de análisis, por ejemplo, el estudio de señales dependientes del nivel de oxígeno en la sangre (BOLD, por sus siglas en inglés). Las señales BOLD se basan en las respuestas vasculares a la activación neuronal y se utilizan ampliamente en estudios de investigación clínicos y preclínicos. En entornos preclínicos, los animales suelen ser anestesiados. Sin embargo, los anestésicos causan cambios en la fisiología de los animales, p. Ej. hipotermia, y esto tiene el potencial de alterar las señales funcionales de MRI (fMRI). Para evitar la hipotermia en roedores anestesiados, se presenta TherMouseDuino. Este es un sistema de control automático de temperatura de código abierto, que reduce las fluctuaciones de la temperatura, lo que proporciona condiciones sólidas para realizar experimentos de resonancia magnética funcional. En los cursos de biología y neurociencia, la anatomía del cerebro se enseña generalmente utilizando imágenes de resonancia magnética (IRM) o secciones histológicas de diferentes planos. Estos muestran las áreas macroscópicas más importantes en el cerebro de un animal. Sin embargo, este método no es dinámico ni intuitivo. En esta tesis se presenta un cerebro de rata impreso en 3D con fines educativos. La manipulación manual de la estructura, facilitada por la ampliación de sus dimensiones, junto con la capacidad de desmontar el "cerebro" en algunas de sus partes principales, facilita la comprensión de la organización 3D del sistema nervioso. Este es un método alternativo y mejorado para enseñar a los estudiantes en general y a los biólogos, en particular, la anatomía del cerebro de rata.[CA] La neurociència és un camp que abasta moltes especialitats. L'objectiu d'aquesta tesi és esmenar algunes manques tecnològiques que existeixen en els mètodes actuals d'experimentació animal en neurociència. En aquesta tesi, es presenten sis projectes, que tindran com a objectiu millorar el "Principi de les tres R", el qual va ser enunciat pels biòlegs anglesos W. M. S. Russell i R. L. Burch, durant l'experimentació animal. El comportament és un dels aspectes m'és importants de la vida animal. Depèn dels vincles entre els animals, els seus sistemes nerviosos i els seus entorns. Per estudiar el comportament dels animals de laboratori, es necessiten diverses eines, però` una eina de seguiment és essencial per a dur a terme un estudi de comportament exhaustiu. Diverses eines de seguiment visual estan actualment disponibles. No obstant això, totes tenen alguns inconvenients. Per exemple, en una situació en la qual un animal esta` dins d'un cau o prop d'altres animals, les cambres de rastreig (tracking) no sempre poden detectar la ubicació precisa o el moviment de l'animal. Per aquesta raó, els entorns enriquits per a intentar recrear l'hàbitat natural dels animals en experimentació no poden utilitzar-se, ja que les dades recopilades són insuficients/inexactes. Amb la finalitat de millorar els experiments de tracking/seguiment RFID Assisted Tracking Tile (RATT) és presentat en aquesta tesi. RATT es un sistema de seguiment basat en tecnologia d'identificació passiva de radiofreqüència (RFID) i esta` compost per rajoles electròniques amb les quals es pot construir una gran superfície, sobre la qual els animals poden moures lliurement. Això permet la identificació més precisa dels animals, així com el seguiment dels seus moviments. Aquest sistema, que també es pot combinar amb un sistema de seguiment amb cambres, aplana el camí per a estudis complets de comportament en entorns enriquits. Donada la capacitat de rastrejar animals i, per tant, realitzar experiments de comportament exhaustius, és possible observar com es comporten els subjectes des d'un punt de vista extern. No obstant això, si volem comprendre el que succeeix en el cervell d'aquests subjectes, és necessari aplicar altres tècniques d'anàlisis, per exemple, l'estudi de senyals dependents del nivell d'oxigen en la sang (BOLD, per les seues sigles en anglès). Els senyals BOLD es basen en les respostes vasculars a l'activació neuronal i s'utilitzen àmpliament en estudis d'investigació clínics i preclínics. En entorns preclínics, els animals solen ser anestesiats. No obstant això, els anestèsics causen canvis en la fisiologia de els animals, per exemple hipotèrmia, i això te el potencial d'alterar els senyals funcionals de MRI (fMRI). Per a evitar la hipotèrmia en rosegadors anestesiats, es presenta TherMouseDuino. Aquest és un sistema de control automàtic de temperatura de codi obert, que redueix les fluctuacions de la temperatura, la qual cosa proporciona condicions solides per a realitzar experiments de ressonància magnètica funcional. En els cursos de biologia i neurociència, l'anatomia del cervell s'ensenya generalment utilitzant imatges de ressonància magnètica (IRM) o seccions histològiques de diferents plans. Aquests mostren les àrees macroscòpiques més importants en el cervell de un animal. No obstant això, aquest mètode no és dinàmic ni intuïtiu. En aquesta tesi es presenta un cervell de rata imprès en 3D amb finalitats educatius. La manipulació manual de l'estructura, facilitada per l'ampliació de les seues dimensions, juntament amb la capacitat de desmuntar el "cervell" en algunes de les seues parts principals, facilita la comprensió de l'organització 3D del sistema nerviós. Aquest és un mètode alternatiu i millorat per a ensenyar a els estudiants en general i als biòlegs, en particular, l'anatomia del cervell de rata.[EN] Neuroscience is a field that covers many specialties. The objective of this thesis is to correct some technological deficiencies that exist in current methods of animal experimentation in neuroscience. In this thesis, six projects are presented, which will aim to improve the "Principle of the three Rs" in animal experimentation enunciated by the English biologists W. M. S. Russell and R. L. Burch. In the present era of impressive progress in neuroscience, it is still not arguable that a complete understanding of the brain cannot be possible without a comparable understanding of animal behavior. In order to study the behavior of laboratory animals, various tools are needed, being a reliable tracking system one of the most important to follow large populations of individual subjects that interact in complex manners. Several visual tracking tools are currently available. However, they all have some drawbacks. For example, in a situation where an animal is inside a cave, or is in close proximity to other animals, tracking cameras cannot always detect the precise location or movement of the animal. For this reason, environments that have been enriched in order to attempt to recreate the natural habitat of the animals under experiment, cannot be used, as the data gathered is insufficient/inaccurate. In order to improve the current tracking systems , the RATT is presented. RATT is a tracking system based on passive RFID technology and it is composed of electronic tiles. Using several tiles, a large surface area, on which the animals can move freely, can be built. This enables the more accurate identification of the animals, as well as the tracking of their movements. This system, which can also be combined with a visual tracking system, paves the way for complete behavioral studies in enriched environments. Given the ability to track animals and thus conduct thorough behavioral experiments, it is possible to observe how the subjects behave from an external viewpoint. However, if we want to understand what is going on in the brains of these subjects, it is necessary to apply other analysis techniques, for example the study of BOLD signals. BOLD signals are based on vascular responses to neuronal activation and are used extensively in clinical and preclinical research studies. In preclinical settings, animals are usually anesthetized. However, anesthetics cause changes in the physiology of the animals, e.g. hypothermia, and this has the potential to disrupt fMRI signals. In order to avoid hypothermia in anesthetized rodents, TherMouseDuino is presented. This is an Open-Source automatic temperature control system, which reduces temperature fluctuations, thus providing robust conditions in which to perform fMRI experiments. In biology and neuroscience courses, brain anatomy is generally taught using MRI or histological sections of different planes. These show the most important macroscopic areas in an animals' brain. However, this method is neither dynamic nor intuitive. An anatomical 3D printed rat brain with educative purposes is presented in this thesis. Hand manipulation of the structure, facilitated by the scaling up of its dimensions, together with the ability to dismantle the "brain" into some of main its constituent parts, facilitates the understanding of the 3D organization of the nervous system. This is an alternative and improved method for teaching students in general and biologists, in particular, the rat brain anatomy.This work was supported in part by the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) and FEDER funds under grants BFU2015-64380-C2-2-R (D.M.) and BFU2015-64380-C2-1-R, by EU Horizon 2020 Program 668863-SyBil-AA grant (S.C.). S.C. acknowledges financial support from the Spanish State Research Agency, through the “Severo Ochoa” Programme for Centres of Excellence in R&D (ref. SEV-2013-0317) and by a grant “Ayudas para la formación de personal investigador (FPI)” from the Vicerrectorado de Investigación, Innovación y Transferencia of the Universitat Politècnica de València.Quiñones Colomer, DR. (2019). Developing preclinical devices for neuroscience research in the fields of animal tracking, fMRI acquisition, and 3D histology cutting [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/118795TESI

Fast 4D Ultrasound Registration for Image Guided Liver Interventions

Liver problems are a serious health issue. The common liver problems are hepatitis, fatty liver, liver cancer and liver damage caused by alcohol abuse. Continuous, long term disease may cause a condition of the liver known as the Liver Cirrhosis. Liver cirrhosis makes the liver scarred and hardened up causing portal hypertension. In such a situation the collateral vessels try to bypass the liver as blood cannot freely flow through the liver; causing internal bleeding. One of the treatments of portal hypertension is Transjugular intrahepatic portosystemic shunt (TIPS). In a TIPS procedure a tract in the liver is created that shortcuts two veins in the liver, reducing the portal hypertension. Radiofrequency ablation (RFA) is use for the treatment of liver cancer. In RFA, a needle electrode is placed through the skin into the liver tumor. High-frequency electrical currents are passed through the electrode, creating heat that destroys the cancer cells, without damaging the surrounding liver tissues. TIPS and RFA are minimally invasive procedures, where small incisions are made to perform the surgery and are alternative to open surgery. A minimally invasive alternative has large potential in reducing complication rates, minimizing surgical trauma and reducing hospital stay. However, in these procedures, due to lack of direct eyesight, three-dimensional imaging information about the anatomy and instruments during the intervention is required. The most difficult part of these procedures is the interpretation and selection of oblique views for needle/instrument insertion and target visualization. In our work we develop and evaluate techniques that enable the effective use of 3D ultrasound for image guided interventions. Ultrasound is low cost, mobile and unlike CT and X-rays does not use any harmful radiation in the imaging process. During these procedures, breathing shifts the region of interest and makes it difficult to constantly focus on a region of interest. We provide an approach to correct for the motion due to breathing. Additionally, we propose a method for image fusion of interventional ultrasound and preoperative imaging modalities such as CT for cases where the lesions are visible in CT but not visible in ultrasound. Incorporating CT data during intervention additionally adds greater definition and precision to the ultrasound based navigation system. Concluding, in this thesis, we presented methods and evaluated their accuracies that demonstrate the use of real-time 3D US and its fusion with CT in potentially improving image guidance in minimally invasive US guided liver interventions