DYNAMIC MEASUREMENT OF THREE-DIMENSIONAL MOTION FROM SINGLE-PERSPECTIVE TWO-DIMENSIONAL RADIOGRAPHIC PROJECTIONS

The digital evolution of the x-ray imaging modality has spurred the development of numerous clinical and research tools. This work focuses on the design, development, and validation of dynamic radiographic imaging and registration techniques to address two distinct medical applications: tracking during image-guided interventions, and the measurement of musculoskeletal joint kinematics. Fluoroscopy is widely employed to provide intra-procedural image-guidance. However, its planar images provide limited information about the location of surgical tools and targets in three-dimensional space. To address this limitation, registration techniques, which extract three-dimensional tracking and image-guidance information from planar images, were developed and validated in vitro. The ability to accurately measure joint kinematics in vivo is an important tool in studying both normal joint function and pathologies associated with injury and disease, however it still remains a clinical challenge. A technique to measure joint kinematics from single-perspective x-ray projections was developed and validated in vitro, using clinically available radiography equipmen

Geometrical Calibration of X-Ray Imaging With RGB Cameras for 3D Reconstruction

(c) 2016 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other users, including reprinting/ republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted components of this work in other works.We present a methodology to recover the geometrical calibration of conventional X-ray settings with the help of an ordinary video camera and visible fiducials that are present in the scene. After calibration, equivalent points of interest can be easily identifiable with the help of the epipolar geometry. The same procedure also allows the measurement of real anatomic lengths and angles and obtains accurate 3D locations from image points. Our approach completely eliminates the need for X-ray-opaque reference marks (and necessary supporting frames) which can sometimes be invasive for the patient, occlude the radiographic picture, and end up projected outside the imaging sensor area in oblique protocols. Two possible frameworks are envisioned: a spatially shifting X-ray anode around the patient/object and a moving patient that moves/rotates while the imaging system remains fixed. As a proof of concept, experiences with a device under test (DUT), an anthropomorphic phantom and a real brachytherapy session have been carried out. The results show that it is possible to identify common points with a proper level of accuracy and retrieve three-dimensional locations, lengths and shapes with a millimetric level of precision. The presented approach is simple and compatible with both current and legacy widespread diagnostic X-ray imaging deployments and it can represent a good and inexpensive alternative to other radiological modalities like CT.This work was carried out with the support of Information Storage S.L., University of Valencia (grant #CPI-15-170), CSD2007-00042 Consolider Ingenio CPAN (grant #CPAN13-TR01) as well as with the support of the Spanish Ministry of Industry, Energy and Tourism (Grant TSI-100101-2013-019).Albiol Colomer, F.; Corbi, A.; Albiol Colomer, A. (2016). Geometrical Calibration of X-Ray Imaging With RGB Cameras for 3D Reconstruction. IEEE Transactions on Medical Imaging. 35(8):1952-1961. https://doi.org/10.1109/TMI.2016.2540929S1952196135

Particulate mechanics of granular soils

Imperial Users onl

Toward the development of an economically viable digital x-ray imaging device

A project aimed at the development of a robot-based patient positioning system for high-precision proton radiotherapy is underway at iThemba LABS. Part of the project included the development of a portal digital x-ray imaging device that would be used to verify the patient treatment set-up. The imaging device consisted of a scintillation screen, front surface mirror and a high-resolution charged-couple device (CCD) camera. The total costs for the device were about 7 times less expensive than a commercial amorphous silicon flat panel detector. To improve the efficiency of the system, the CCD chip and scintillation screen were chosen so that the wavelength of the light from the screen closely matched the wavelength at which the CCD sensor has the maximum quantum efficiency. The digital images compared favourably with those of x-ray film. Although the digital images were of lower resolution due to the finite resolution of the CCD chip, they were considered satisfactory. The use of pixel binning allowed for the use of lower exposure settings when compared to exposure settings for un-binned images. This resulted in a reduction of patient dose without significantly compromising image quality. The device would not be used for diagnostic purposes, but only to verify patient position at treatment setup. As such, the digital images would be compared against digitally reconstructed radiographs (DRRs) of the fields and/or the treatment position, which are created from the treatment planning Computed Tomography (CT) images. In general, the spatial resolution of the DRRs is also comparably lower than digital x-ray images, as the resolution of the DRRs is limited to the voxel size of the CT images

Environment recognition applied to particle detectors

Resumen en español Introducción Los detectores de partículas son dispositivos que registran la radiación ionizante, bien de sistemas activos (rayos X, aceleradores, etc.) o bien de isótopos radiactivos. Para poder realizar medidas de precisión con estos instrumentos, es necesario modelar geométricamente el entorno, contorno o escena bajo estudio. Estas condiciones geométricas se pueden determinar de forma más o menos precisa en algunos experimentos de física de partículas/nuclear, y en algunos sistemas de imagen, como las tomografías. Sin embargo, este escenario no es necesariamente el habitual. El propósito principal de este trabajo de tesis es desarrollar técnicas e instrumentos que aporten la mencionada información del entorno a cualquier sistema de detección de radiación y de manera general. Como iremos viendo, estas mejoras tienen lugar mediante la adición de sensores externos (cámaras de video y cámaras de rango, principalmente) capaces de aportar dichos datos sobre el contexto espacial. Por escena o contorno se entiende tanto los límites del emplazamiento físico donde se realizan las medidas (habitación, habitáculo, recinto, alrededores, etc.), como el propio elemento bajo examen (paciente, objeto contaminado, fuente radioactiva, etc.), incluyendo su posición, giro y volumen relativo al sistema de imagen o a un punto fijo. Tal es el caso de los dispositivos de rayos X de propósito general o los sistemas detectores portátiles usados, por ejemplo, para la medición de radiación ambiental. Como se demuestra a lo largo de este trabajo de tesis, la mencionada geometría de la escena puede llegar a complementar o aumentar (concepto tomado prestado del mundo de la visión por ordenador o computer vision) de manera muy significativa la información propia recabada por los sistemas de adquisición utilizados. De manera similar, cuando un dispositivo A aumenta un dispositivo B, implica que A provee a B con información espacial relativa a marco de trabajo, de manera que puede derivarse, por ejemplo, información 3D por parte de B, registrar imágenes A+B, etc. Para alcanzar este objetivo, y como parte de esta investigación, se han explorado técnicas y métodos de reconocimiento del entorno, aplicados a las siguientes áreas: • aumento de dispositivos de rayos X usados en diagnóstico primario, • reconstrucción tridimensional de la anatomía de la persona examinada partiendo de radiografías convencionales que luego pueden ser estereográficamente relacionadas, • obtención de nuevas funciones de transferencia que permitan la generación de imágenes densitométricas a partir de las imágenes de absorción y el volumen del/de la paciente, y • asignación de coordenadas 3D a fuentes de radiación y a la dosis recibida. Se ha hecho especial énfasis en los dispositivos de rayos X por su indudable presencia en muchos ámbitos, desde los puramente clínicos hasta los relacionados con la inspección preventiva/forense de objetos. En el contexto de este trabajo, estos sistemas de imagen son aumentados mediante la interacción con dispositivos modernos de posicionamiento, tales como cámaras de video, profundidad, etc. La ventaja de esta arquitectura de imagen dual es la posibilidad de determinar geométricamente la escena con precisión y trasladar y superponer esta información al resultado de origen clínico (o al fruto de una inspección relacionada con la gestión de residuos radioactivos, como en el caso de las gamma-cámaras, estudiadas en [chap:gamma]). Además, como parte de los resultados obtenidos en esta tesis, se ha desarrollado una métrica especial (basada en análisis y teoría de la imagen) para cuantificar de manera objetiva la calidad de imágenes radiográficas. Esta técnica es utilizada para estimar la información de las imágenes densitométricas obtenidas mediante los métodos estudiados en este trabajo. Los rayos X convencionales y sus limitaciones La modalidad radiológica de rayos X convencional es sin duda la más presente y usada en la práctica clínica y ciencias de la salud. Su implantación en todo tipo de centros de salud es muy destacable dada su relativa simplicidad técnica, rapidez y efectividad para diagnosticar muchos tipos de dolencias. La llegada de la radiografía digital no ha hecho otra cosa sino profundizar en esta realidad. Un dispositivo de rayos X consta de un tubo generador de este tipo de radiación instalado dentro de un blindaje, un generador de alta tensión y un chasis o cassette que contiene en su interior la película radiográfica o detector digital que integra finalmente la emisión Roentgen que no ha sido absorbida por el/la paciente o el objeto analizado. A diferencia de otras modalidades como la tomografía axial computerizada (TAC), en la modalidad de rayos X ordinarios la geometría de la escena clínica es descrita de manera muy somera. Con enorme frecuencia, el único registro de la misma son sencillas indicaciones relativas a la posición (y sobre todo, orientación) del/de la paciente con respecto a la cubierta protectora del detector de pared vertical y/o mesa horizontal. Es lo que se conoce en literatura como protocolo o simplemente, posicionamiento del paciente. Estas indicaciones son las que luego se traducen en los conocidos protocolos de examen tales como radiografía postero-anterior, antero-posterior, decúbito, medio-lateral, etc. Esta alta variabilidad geométrica proviene del hecho de que en los dispositivos de rayos X para diagnóstico primario existe un desacoplo estructural entre el detector y la fuente de fotones X (el ánodo del tubo). Dicho de otra manera: ambos pueden desplazarse libremente y con plena independencia el uno del otro. Esto se traduce a su vez en una alta fragilidad de los parámetros intrínsecos (a diferencia de una cámara fotográfica al uso, donde estos valores permanecen fijos desde el momento de su fabricación). Tanto las mesas de examen como los estativos verticales pueden ser fijos, flotantes o semi-flotantes e incluso a veces es posible modificar su ángulo con respecto al suelo o pared para realizar exámenes especiales, como los digestivos. En cualquier sistema de imagen, los parámetros intrínsecos engloban tanto el punto focal como posibles distorsiones y asimetrías que pueden ser medidas y conocidas. Un ejemplo que suele resultar llamativo de esta libertad de movimiento en los sistemas de imagen por rayos X es el hecho de que el punto focal (distancia desde el ánodo al detector y su posición horizontal y vertical en el plano representado por este) puede llegar a estar situado completamente fuera de la superficie de la imagen. Esto acontece, por ejemplo, en algunos protocolos que exigen proyecciones oblicuas o en ángulos muy picados (como las que se muestran en la [fig:xraypositions] y la [fig:oblique]). Nuevamente, esta situación contrasta con la fotografía convencional, donde el punto principal se corresponde normalmente con el pixel central, por ejemplo, en el 640, 540 en el caso de una cámara de video de resolución HD (1920, 1080). Los proyectores de luz (usados comúnmente en presentaciones, arte, etc.) también emplean un punto focal muy desplazado con respecto al centro de la imagen, sin embargo esta sólo se forma con nitidez a una distancia específica y fija (es decir, los parámetros intrínsecos del sistema óptico son nuevamente fijos). Si bien es cierto que la tecnología y estándares radiológicos están preparados para el registro de ciertas distancias tales como la brecha paciente-detector (IOD), emisor-detector (SID), etc., estas casi nunca son estimadas, ni medidas y mucho menos inventariadas manual o electrónicamente. Sin embargo, es bien conocido tanto teórica como experimentalmente, así como por la práctica diaria, que estas magnitudes pueden llegar a tener una repercusión no despreciable tanto en la generación de la propia imagen radiográfica y su calidad, así como en la gestión de la dosis recibida por parte del/de la paciente. Rayos-X aumentados mediante dispositivos de captación de contorno En este trabajo proponemos una serie de herramientas, metodologías y procedimientos para la determinación del ámbito geométrico en escenarios de diagnóstico basados en sistemas convencionales de rayos X. Estas técnicas se apoyan principalmente en la anexión de un dispositivo de captación de contorno o escena que permanece rígidamente acoplado al sistema de imagen de rayos X. Los dispositivos de captación de contorno que han sido explorados en este trabajo son cámaras de video y cámaras de profundidad, aunque existen muchas otras alternativas tales como cámaras basadas en tiempo de vuelo (time-of-flight), LIDARes (light detection and ranging), escáneres 3D láser, sistemas de visión estereoscópica con cámaras RGB calibradas, etc. Una cámara calibrada (sea del tipo que sea: RGB, profundidad, rayos-X) es aquella de la que se conocen sus parámetros intrínsecos y posición respecto a un punto de referencia externo llamado usualmente mundo. Mediante estas cámaras adyacentes y anexionadas de manera rígida es posible la delimitación geométrica de la escena de rayos X, incluidas las distancias anteriormente mencionadas, además de la posición precisa del/de la paciente durante el examen y su volumen. Además, en combinación con una segunda (o más) radiografía(s), es posible aplicar técnicas de estereoscopía y reconstrucción 3D y obtener información tridimensional de su anatomía interna, además de otros valiosos datos válidos para complementar el diagnóstico. En la última década ha acontecido una revolución tecnológica en relación a los dispositivos de captación de contorno, dando lugar a nuevas disciplinas tales como la detección remota, la realidad virtual o la realidad aumentada. Estos nuevos instrumentos conllevan ventajas a las que ya nos hemos ido acostumbrando y se han convertido incluso en cotidianas, tales como la estimación remota de distancias y posiciones, el cálculo de coordenadas, el modelado de superficies, el seguimiento de personas y objetos, la detección barreras y obstáculos, la cartografía y posicionamiento geográfico, entre muchas otras. Los ámbitos de aplicación de los saberes relacionados con la visión por ordenador están ahora al alcance de muchas disciplinas que hasta hace poco se auto-excluían de tales dominios tecnológicos. Entre estas ciencias podemos encontrar a la medicina, la física y otras ciencias básicas. En lo que concierte a los rayos X, cierto tipo de información geométrica y proyectiva (a excepción del volumen del objeto o persona radiografiada) estaba ya disponible gracias a la intercesión de incómodos y costosos marcos de referencia que contienen marcadores fiduciarios opacos a la radiación Roentgen. Esta metodología heredada (así como sus sucesoras basadas en detectores de contorno que se proponen en este trabajo) radica en el hecho de que un dispositivo de rayos X puede asemejarse a una cámara pinhole o cámara estenopeica. Una cámara estenopeica es una cámara fotográfica sin lente y que cuenta con un pequeño orificio o pinhole por donde entra la luz reflejada por los objetos fotografiados, además un material detector. En el caso de un dispositivo de rayos X, el pinhole es en realidad el emisor de luz y coincide estructuralmente con el ánodo del tubo de rayos X, que juega también el papel del anteriormente citado punto focal. El detector en los dispositivos de rayos X estenopeicos es la placa radiográfica o el imaging plate (en el caso digital). La geometría proyectiva afirma que dados conjuntos de puntos con coordenadas espaciales (3D) y sus correspondientes proyecciones en una imagen, es posible hallar la ecuación de calibración de cámara que conecta cualquier otro punto tridimensional en la escena con su localización x,\,y en la imagen. Es lo que se conoce también con el nombre de calibración geométrica de cámara. El problema con la solución basada en marcos de referencia y fiduciales opacas nombrada anteriormente es que pueden dificultar la movilidad del/de la paciente y/o del sistema, pero sobretodo pueden alterar de manera significativa la imagen e influir en el diagnóstico alcanzable a partir de la misma. En el [chap:xraycalibration] se estudian y comparan los distintos algoritmos de calibración de cámara pero aplicados al ámbito de los rayos X. Las técnicas propuestas en este trabajo evitan las mencionadas incomodidades para el/la paciente y no interfieren en absoluto en la generación de la placa radiográfica ni en la imagen de absorción final, además de otras ventajas, tales como la posibilidad de guardar registro visual de la escena, adquirir el contorno del/de la paciente o de aplicar protocolos de examen que requieran una gran oblicuidad por parte del sistema de adquisición. Para combinar geométricamente ambos tipos de dispositivos (sensor de contorno y rayos X) es necesario encontrar con antelación la transformación rígida que los conecta, también conocida como ecuación de la co-cámara. Una transformación rígida es una transformación lineal que preserva tamaño y forma, conservando la alineación, el orden y la pertenencia (es decir, las rectas se transforman en rectas y ángulos en ángulos). La búsqueda de esta relación geométrica se detalla en la [sec:calibration-phase] y la [sec:calibration] para el caso de cámaras de visible y de profundidad, respectivamente. En esta fase (y sólo en esta) nos apoyamos en un marco de calibración que incorpora fiduciales detectables por ambos sistemas de imagen ([fig:calibrationframe]). Una vez hallada esta matriz de transformación, se dice que ambas cámaras están registradas. Tanto en el caso de que la cámara de contorno sea una cámara de video o de profundidad, los marcadores que aparecen en la proyección resultante son fácilmente identificables mediante herramientas de computer vision resumidas en la [sec:tracking]. En el caso de las proyecciones de marcadores opacos a los rayos X, estas son aisladas normalmente de manera manual, aunque es posible aplicar algoritmos de identificación de formas y segmentación sobre la radiografía de calibración. En este trabajo se ha optado por lo primero, aprovechando las mismas herramientas software de visualización y diagnóstico del médico-radiólogo. El proceso de hallazgo de la ecuación co-cámara se relata en la [sec:problem]. Reconstrucción 3D en rayos X Una vez hallada esta relación de registro entre dispositivos, ya no es necesario el marco de calibración, el cual desaparece de la escena sin perjuicio ni influencia alguna en la(s) radiografía(s) del/de la paciente tal y como se ha anticipado en el párrafo anterior. A partir de este momento, es el detector de contorno el responsable de inferir la geometría de la escena, liberando completamente al sistema de rayos X de esta tarea. Entre los elementos propios de la geometría de la escena que son ahora cómodamente medibles se encuentran, por descontado, las longitudes listadas anteriormente (IOD, SID, etc.). Sin embargo, es posible además inferir otras entidades importantes, tales como el volumen del/de la paciente, sus desplazamientos y los movimientos propios del sistema radiológico entre radiografías consecutivas. Concretamente, gracias a esta última ventaja (determinación de transformaciones rígidas entre dos desplazamientos) es posible reconstruir tridimensionalmente puntos y distancias internos al/a la paciente mediante técnicas de visión estereoscópica. Para ello sólo son necesarias dos radiografías obtenidas en dos posiciones separadas, ya sea del propio/de la propia paciente o del sistema radiográfico. Esta versatilidad relacionada con los escenarios de aplicación es tratada en la [sec:scenarios]. Este seguimiento o tracking de la escena es el que se detalla en el [chap:xray+rgb] y el [chap:kinfu] para el caso de que el sensor de contorno sea una cámara RGB y para el caso de una cámara de profundidad, respectivamente. Las cámaras de profundidad consisten en sistemas integrados por una luz láser que es proyectada, formando un patrón conocido, sobre la escena. El reflejo de este patrón es vuelto a ser captado por un sensor CMOS adjunto. A partir de la captura de la deformación del mencionado patrón, es posible determinar información 3D del entorno. La información 3D obtenida por las cámaras de profundidad es transmitida a otros sistemas informáticos mediante las conocidas nubes de puntos o point clouds. Una nube de puntos es un conjunto de vértices en un sistema de coordenadas tridimensional. Estos vértices son representaciones de la superficie externa de un objeto (el/la paciente en este caso). Originalmente, las nubes de puntos se utilizaban en la elaboración de modelos tridimensionales en diseño por ordenador (CAD) en la fabricación de piezas, la inspección de calidad en metrología, y muchos otros ámbitos como animación, y texturización. Desde tiempos recientes han encontrado también un nicho en medicina, como se describe en la [sec:introp2v]. En el [chap:clinica] se muestran algunos ejemplos de aplicación de la reconstrucción 3D anatómica en escenarios clínicos reales, tanto con pacientes como con fantomas antropomórficos. En estos ejemplos puede verse claramente cómo es posible reproducir fielmente la longitud de una astilla en el hueso húmero o las distancias entre marcadores fiduciarios emplazados en distintas posiciones dentro de varios de estos fantomas. También se muestra cómo es factible localizar puntos en dos radiografías distintas mediante el trazado de epipolares acotadas entre ambas. Los conceptos de línea epipolar y línea epipolar acotada se estudian en la [sec:epipolars-howto]. Imágenes densitométricas En el caso de usar cámaras de profundidad, además de permitir estas el seguimiento e identificación del movimiento en la escena radiológica sin necesidad de ningún tipo de marcador fiducial, también es factible reconstruir volúmenes dentro de la misma. En concreto, es posible dirimir el volumen del/de la paciente si este/esta gira frente al mencionado sensor y se aplican las técnicas y métodos descritos en la [sec:moredsm]. Esta digitalización del volumen hace uso a su vez del algoritmo KinectFusion (descrito en la [sec:kinectfusion]) el cual opera de manera continua sobre las nubes de puntos obtenidas previamente o incluso en tiempo real mediante la ejecución de cálculos en paralelo en la unidad de procesamiento gráfico (GPU). La única complejidad en la aplicación de algoritmo de KinectFusion es la necesidad de eliminar la parte de la nube de puntos referente al fondo de la escena (paredes, decoración, el propio detector, etc.). En la [fig:background-extraction] se resumen algunos métodos apropiados para ello. Una vez reconstruido el volumen del/de la paciente, este es trasladado al punto de vista del sistema de rayos X. Este hecho permite a su vez la generación de mapas de longitud recorrida, es decir, el conjunto formado por todas las distancias recorridas por cada rayo entre el punto en el que penetran en el/la paciente cuando vienen desde el ánodo y el punto por el que salen del cuerpo hasta alcanzar finalmente un pixel x,\,y en el detector. La generación de estos mapas se trata en la [sec:lbuffer]. Con estos mapas de longitud atravesada ya es posible traducir las imágenes de absorción (las típicas obtenidas en la generación de radiografías) por imágenes de densidad o densitométricas junto con la definición de una nueva función de transferencia. La solución más común a este problema era hasta ahora la absorciometría dual de rayos X, que consiste en comparar dos imágenes de rayos X tomadas con distinto voltaje. El coste de estos equipos, sin embargo, se incrementa debido a que se requieren dos fuentes de rayos X y/o dos detectores. Otra técnica empleada es el uso de fuentes de rayos X que emitan con al menos dos energías distintas. Estas técnicas reciben el nombre del imagen de absorciometría de rayos X dual (dual-energy X-ray absorptiometry) o DXA. Un examen DXA es una prueba usualmente indicada para determinar la densidad mineral ósea y diagnosticar, principalmente, desórdenes relacionados con osteoporosis. La técnica de DXA implica el uso de una modalidad radiológica y equipos específicos. Además de la utilidad inherente a estas imágenes de densidad, en este trabajo también hemos demostrado que estas imágenes contienen objetivamente una mayor calidad y grado de información en comparación con las radiografías de absorción. Las imágenes densitométricas cuentan con un rango dinámico más comprimido, lo que se traduce en un realce significativo de los tejidos blandos y en una presencia más balanceada de los tejidos óseo y muscular. Trabajo en clínica y medida de la calidad de la imagen radiográfica Respecto a la cuantificación de calidad antes mencionada, el presente trabajo de investigación ha contribuido con una novedosa métrica de cuantificación de la calidad de las imágenes radiológicas basada en los conceptos de información mutua, entropía, entropía condicional y el filtrado Gabor de imágenes. Un filtro de Gabor consiste en una función gaussiana modulada por una curva sinusoidal a la que se le asigna una determinada frecuencia y dirección, obteniendo una reducción del ruido a la vez que se preserva una dirección de la imagen original. Las funciones de Gabor son importantes en el análisis de texturas, especialmente en la segmentación, ya que diferentes texturas tienden a concentrar su presencia en rangos específicos de frecuencias. Normalmente los filtros de Gabor no se aplican de manera individual a una imagen, sino que se utilizan en grupos de filtros, llamados bancos, en los que se permiten diferentes frecuencias y orientaciones. Concretamente, el método propuesto para la asignación de calidad en radiografías (descrito en el [chap:imagequality]) computa la inform

Advanced capabilities for planar X-ray systems

Mención Internacional en el título de doctorThe past decades have seen a rapid evolution towards the use of digital detectors in radiology and a more flexible robotized movement of the system components, X-ray tube and detector. This evolution opened the possibility for incorporating advanced capabilities in these planar X-ray systems, and for providing new valuable diagnostic information compared to the previous technology. Some of the current challenges for radiography are to obtain more quantitative images and to reduce the inherent superposition of tissues because of the 2D nature of the technique. Dual energy radiography, based on the acquisition of two images at different source voltages, enables a separate characterization of soft tissue and bone structures. Its benefits over conventional radiography have been proven in different applications, since it improves information content without adding significant extra acquisition time or radiation dose. In a different direction, a really disruptive advance would be to obtain 3D imaging with systems designed just for planar images. The incorporation of tomographic capabilities into these systems would have to deal with the acquisition of a limited number of projections, with non-standard geometrical configurations. This thesis presents original contributions in these two directions: dual energy radiography and 3D imaging with X-ray systems designed for planar imaging. The work is framed in a line of research of the Biomedical Imaging and Instrumentation Group from the Bioengineering and Aerospace Department of University Carlos III de Madrid working jointly with the University Hospital Gregorio Marañón, focused on the advance of radiology systems. This research line is carried out in collaboration with the group of Computer Architecture, Communications and Systems (ARCOS), from the same university, the Imaging Research Laboratory (IRL) of the University of Washington and the research center CREATIS, France. The research has a clear focus on technology transfer to the industry through the company Sedecal, a Spanish multinational among the 10 best world companies in the medical imaging field. The first contribution of this thesis is a complete novel protocol to incorporate dual energy capabilities that enable quantitative planar studies. The proposal is based on the use of a preliminary calibration with a very simple and low-cost phantom formed by two parts that represent soft tissue and bone equivalent materials. This calibration is performed automatically with no strict placement requirements. Compared to current Dual-energy X-ray Absorptiometry (DXA) systems, 1) it provides real mass-thickness values directly, enabling quantitative planar studies instead of relative comparisons, and 2) it is based on an automatic preliminary calibration without the need of interaction of an experienced technician. The second contribution is a novel protocol for the incorporation of tomographic capabilities into X-ray systems originally intended for planar imaging. For this purpose, we faced three main challenges. First, the geometrical trajectory of equipment follows non-standard circular orbits, thus posing severe difficulties for reconstruction. To handle this, the proposed protocol comprises a new geometrical calibration procedure that estimates all the system parameters per-projection. Second, the reconstruction of a limited number of projections from a reduced angular span leads to severe artifacts when using conventional reconstruction methods. To deal with these limited-view data, the protocol includes a novel advanced reconstruction method that incorporates the surface information of the sample, which can be extracted with a 3D light surface scanner. These data are introduced as an imposed constraint following the Split Bregman formulation. The restriction of the search space by exploiting the surface-based support becomes crucial for a complete recovery of the external contour of the sample and surroundings when the angular span is extremely reduced. The modular, efficient and flexible design followed for its implementation allows for the reconstruction of limited-view data with non-standard trajectories. Third, the optimization of the acquisition protocols has not yet explored with these systems. This thesis includes a study of the optimum acquisition protocols that allowed us to identify the possibilities and limitations of these planar systems. Using the surface-constrained method, it is possible to reduce the total number of projections up to 33% and the angular span down to 60 degrees. The contributions of this thesis open the way to provide depth and quantitative information very valuable for the improvement of radiological diagnosis. This could impact considerably the clinical practice, where conventional radiology is still the imaging modality most used, accounting for 80-90% of the total medical imaging exams. These advances open the possibility of new clinical applications in scenarios where 1) the reduction of the radiation dose is key, such as lung cancer screening or Pediatrics, according to the ALARA criteria (As Low As Reasonably Achievable), 2) a CT system is not usable due to movement limitations, such as during surgery or in an ICU and 3) where costs issues complicate the availability of CT systems, such as rural areas or underdeveloped countries. The results of this thesis has a clear application in the industry, since it is part of a proof of concept of the new generation of planar X-ray systems that will be commercialized worldwide by the company SEDECAL (Madrid, Spain).Los últimos años están viendo un rápido avance de los sistemas de radiología hacia el uso de detectores digitales y a una mayor flexibilidad de movimientos de los principales componentes del sistema, el tubo de rayos X y el detector. Esta evolución abre la posibilidad de incorporar capacidades avanzadas en sistemas de imagen plana por rayos X proporcionando nueva información valiosa para el diagnóstico. Dos retos en radiografía son obtener imágenes cuantitativas y reducir la superposición de tejidos debida a la naturaleza proyectiva de la técnica. La radiografía de energía dual, basada en la adquisición de dos imágenes a diferente kilovoltaje, permite obtener imágenes de tejido blando y hueso por separado. Los beneficios de esta técnica que aumenta la cantidad de información sin añadir un tiempo de adquisición o de dosis de radiación extra significativos frente al uso de radiografía convencional, han sido demostrados en diferentes aplicaciones. En otra dirección, un avance realmente disruptivo sería la obtención de imagen 3D con sistemas diseñados únicamente para imagen plana. La incorporación de capacidades tomográficas en estos sistemas tendría que lidiar con la adquisición de un número limitado de proyecciones siguiendo trayectorias no estándar. Esta tesis presenta contribuciones originales en esas dos direcciones: radiografía de energía dual e imagen 3D con sistemas de rayos X diseñados para imagen plana. El trabajo se encuadra en una línea de investigación del grupo de Imagen Biomédica e Instrumentación del Departamento de Bioingeniería e Ingeniería Aerospacial de la Universidad Carlos III de Madrid junto con el Hospital Universitario Gregorio Marañon, centrada en el avance de sistemas de radiología. Esta línea de investigación se desarollada en colaboración con el grupo Computer Architecture, Communications and Systems (ARCOS), de la misma universidad, el grupo Imaging Research Laboratory (IRL) de la Universidad de Washington y el centro de investigación CREATIS, de Francia. Se trata de una línea de investigación con un claro enfoque de transferencia tecnológica a la industria a través de la compañía SEDECAL, una multinacional española de entre las 10 líderes del mundo en el campo de la radiología. La primera contribución de esta tesis es un protocolo completo para incorporar capacidades de energía dual que permitan estudios cuantitativos de imagen plana. La propuesta se basa en una calibración previa con un maniquí simple y de bajo coste formado por dos materiales equivalentes de tejido blando y hueso respectivamente. Comparado con los sistemas actuales DXA (Dual-energy X-ray Absorptiometry), 1) proporciona valores reales de tejido atravesado, 2) se basa en una calibración automática que no requiere la interacción de un técnico con gran experiencia. La segunda contribución es un protocolo nuevo para la incorporación de capacidades tomográficas en sistemas de rayos X originariamente diseñados para imagen plana. Para ello, nos enfrentamos a tres principales dificultades. En primer lugar, las trayectorias que pueden seguir la fuente y el detector en estos sistemas no constituyen órbitas circulares estándares, lo que plantea retos importantes en la caracterización geométrica. Para solventarlo, el protocolo propuesto incluye una calibración geométrica que estima todos los parámetros geométricos del sistema para cada proyección. En segundo lugar, la reconstrucción de un número limitado de proyecciones adquiridas en un rango angular reducido da lugar a artefactos graves cuando se reconstruye con algoritmos convencionales. Para lidiar con estos datos de ángulo limitado, el protocolo incluye un nuevo método avanzado de reconstrucción que incorpora la información de superficie de la muestra, que se puede se obtener con un escáner 3D. Esta información se impone como una restricción siguiendo la formulación de Split Bregman, para compensar la falta de datos. La restricción del espacio de búsqueda a través de la explotación del soporte basado en superficie, es crucial para una recuperación completa del contorno externo de la muestra cuando el rango angular es extremadamente pequeño. El diseño modular, eficiente y flexible de la implementación propuesta permite reconstruir datos de ángulo limitado obtenidos con posiciones de fuente y detector no estándar. En tercer lugar, hasta la fecha, no se ha explorado la optimización del protocolo de adquisición con estos sistemas. Esta tesis incluye un estudio de los protocolos óptimos de adquisición que permitió identificar las posibilidades y limitaciones de estos sistemas de imagen plana. Gracias al método de reconstrucción basado en superficie, es posible reducir el número total de proyecciones hasta el 33% y el rango angular hasta 60 grados. Las contribuciones de esta tesis abren la posibilidad de proporcionar información de profundidad y cuantitativa muy valiosa para la mejora del diagnóstico radiológico. Esto podría impactar considerablemente en la práctica clínica, donde la radiología convencional es todavía la modalidad de imagen más utilizada, abarcando el 80- 90% del total de los exámenes de imagen médica. Estos avances abren la posibilidad de nuevas aplicaciones clínicas en escenarios donde 1) la reducción de la dosis de radiación es clave, como en screening de cáncer de pulmón, de acuerdo con el criterio ALARA (As Low As Reasonably Achievable), 2) no se puede usar un sistema TAC por limitaciones de movimiento como en cirugía o UCI, o 3) el coste limita la disponibilidad de sistemas TAC, como en zonas rurales o en países subdesarrollados. Los resultados de esta tesis presentan una clara aplicación industrial, ya que son parte de un prototipo de la nueva generación de sistemas planos de rayos X que serán distribuidos mundialmente por la compañía SEDECAL.This thesis has been developed as part of several research projects with public funding: - DPI2016-79075-R. ”Nuevos escenarios de tomografía por rayos X”, IP: Mónica Abella García, Ministerio de Economía y Competitividad, 01/01/2017-31/12/2019, 147.620 e. - ”Nuevos escenarios de tomografía por rayos X (NEXT) DPI2016-79075-R. Ministerio de Economía”, Industria y Competitividad. (Universidad Carlos III de Madrid). 30/12/2016-29/12/2019. 147.620 e. (…) - FP7-IMI-2012 (GA-115337), ”PreDict-TB: Model-based preclinical development of anti-tuberculosis drug combinations”. FP7-IMI - Seventh Framework Programme (EC-EFPIA). Unión Europea. (Universidad Carlos III de Madrid). 01/05/2012-31/10/2017. (…) - TEC2013-47270-R, ”Avances en Imagen Radiológica (AIR)”, Ministerio de Economía y Competitividad”, 01/01/2014-31/12/2016. IP: Mónica Abella Garcia and Manuel Desco Menéndez. 160.204 e (…) - RTC-2014-3028-1, ”Nuevos Escenarios Clínicos con Radiología Avanzada (NECRA)”, Ministerio de Economía y Competitividad, 01/06/2014-31/12/2016 IP: Mónica Abella García. 2014-2016. 219.458,96 e - IDI-20130301, ”Nuevo sistema integral de radiografía (INNPROVE: INNovative image PROcessing in medicine and VEterinary)”, IP: Mónica Abella García and Manuel Desco Menéndez. Ministerio de Economía y Competitividad. Subcontratación CDTI, 14/01/2013-31/03/2015. Total: 1.860.629e (UC3M: 325.000e). (Art. 83) - IPT-2012-0401-300000 INNPACTO 2012, ”Tecnologías para Procedimientos Intraoperatorios Seguros y Precisos. XIORT. MINECO. (Universidad Carlos III de Madrid). 01/01/2013-31/12/2015.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería MatemáticaPresidente: Doménec Ros Puig.- Secretario: Cyril Riddell.- Vocal: Yannick Boursie

Intraoperative Endoscopic Augmented Reality in Third Ventriculostomy

In neurosurgery, as a result of the brain-shift, the preoperative patient models used as a intraoperative reference change. A meaningful use of the preoperative virtual models during the operation requires for a model update. The NEAR project, Neuroendoscopy towards Augmented Reality, describes a new camera calibration model for high distorted lenses and introduces the concept of active endoscopes endowed with with navigation, camera calibration, augmented reality and triangulation modules

Feasibility of using Lodox to perform digital subtraction angiography

Bibliography: leaves 150-157.Many cases in trauma involve vessel imaging to determine integrity and the origin of lesions or blockages. Digital subtraction angiography (DSA) is a tool used to improve the clarity of the vessels being imaged for better and easier decision making in diagnostics and planning. Lodox, a low dose x-ray system developed by Debex (Pty) Ltd, a subsidiary of de Beers, was designed specifically for the trauma environment. It therefore follows that, if possible, a function so readily used in trauma, such as DSA, should be added to the imaging repertoire of an x-ray system designed for use in this environment. In this dissertation the feasibility of using Lodox to perform DSA is therefore explored. In doing so, the requirements of a trauma unit and the theory behind DSA were researched so as to obtain a better understanding into what would be required

Medical Image Registration: Statistical Models of Performance in Relation to the Statistical Characteristics of the Image Data

For image-guided interventions, the imaging task often pertains to registering preoperative and intraoperative images within a common coordinate system. While the accuracy of the registration is directly tied to the accuracy of targeting in the intervention (and presumably the success of the medical outcome), there is relatively little quantitative understanding of the fundamental factors that govern image registration accuracy. A statistical framework is presented that relates models of image noise and spatial resolution to the task of registration, giving theoretical limits on registration accuracy and providing guidance for the selection of image acquisition and post-processing parameters. The framework is further shown to model the confounding influence of soft-tissue deformation in rigid image registration — accurately predicting the reduction in registration accuracy and revealing similarity metrics that are robust against such effects. Furthermore, the framework is shown to provide conceptual guidance in the development of a novel CT-to-radiograph registration method that accounts for deformation. The work also examines a learning-based method for deformable registration to investigate how the statistical characteristics of the training data affect the ability of the model to generalize to test data with differing statistical characteristics. The analysis provides insight on the benefits of statistically diverse training data in generalizability of a neural network and is further applied to the development of a learning-based MR-to-CT synthesis method. Overall, the work yields a quantitative approach to theoretically and experimentally relate the accuracy of image registration to the statistical characteristics of the image data, providing a rigorous guide to the development of new registration methods