Aplicación de técnicas de iluminación y procesado de imagen para la detección y medición de lesiones

Tesis por compendio[ES] En el presente trabajo se realiza un análisis completo de las técnicas de iluminación y registro de imagen desarrollados hasta el momento y que permiten emplear la fluorescencia intrínseca de estructuras biológicas para aumentar la capacidad de identificación, detección y análisis de lesiones y anomalías que puedan presentarse. El trabajo se ha enfocado principalmente en a) el análisis, validación y desarrollo de técnicas de detección precoz de lesiones asociadas al Carcinoma Escamoso Epidermoide (oncología otorrinolaringológica), así como posibles lesiones precursoras y b) el análisis y desarrollo de una metodología que permita registrar imágenes de fluorescencia y cuantificar mediante la aplicación de técnicas de procesado de imagen la afección provocada por el Acné Vulgaris (dermatología). Se proponen nuevas formas de adquisición, registro y procesado de imágenes de fluorescencia que mejoran de forma objetiva la capacidad de detección y gestión de las anteriores patologías. El desarrollo de la Tesis ha dado lugar a varios resultados. Parte de los resultados se han estructurado en forma de artículos de investigación y trabajos publicados en revistas JCR. Así, la tesis se va a desarrollar por Compendio de Artículos, incluyéndose: a) Artículo de Investigación 1 publicado en revista JCR. Segmentation methods for acne vulgaris images: Proposal of a new methodology applied to fluorescence images. b) Artículo de Investigación 2 publicado en revista JCR. Hough Transform Sensitivivy Factor Calculation Model Applied to the Analysis of Acné Vulgaris Skin Lesions. c) Artículo de Investigación publicado en Congreso Internacional. Analysis of segmentation methods for acne vulgaris images. Proposal of a new methodology applied to fluorescence images. d) Estudio Observacional (modalidad de ensayo clínico para técnicas no invasivas) con DICTAMEN FAVORABLE para su realización con fecha 29 de Septiembre de 2022. El Estudio Observacional ha sido evaluado por los miembros del Comité Ético de Investigación con medicamentos del Departamento Arnau de Vilanova-Llíria. A causa de la pandemia causada por la COVID-19, la ejecución del trabajo se ha visto pospuesta y se iniciará en el último trimestre de 2022. Título: ANÁLISIS DE IMÁGENES DE AUTOFLUORESCENCIA PARA SU USO POTENCIAL COMO SISTEMA NO INVASIVO EN LA DETECCIÓN DE LESIONES ORALES POTENCIALMENTE MALIGNAS. De forma adicional a los trabajos publicados, se ha redactado en forma de review (susceptible de ser publicado) el estado del arte que ha permitido desarrollar el OBJETIVO ESPECÍFICO 3. Se adjunta como Artículo de Investigación susceptible de publicación en revista JCR. Título: Segmentation of acne vulgaris images algorithms. La ejecución del Estudio Observacional se plantea como la línea de investigación a seguir y que da continuidad a la investigación iniciada en la presente Tesis Doctoral. El documento de Tesis está estructurado en 7 capítulos y 11 Anexos. Para el desarrollo del presente trabajo se han planteado tres objetivos específicos. Cada artículo o trabajo publicado se corresponde con el desarrollo de cada uno de los tres objetivos específicos. Así, cada uno de los capítulos 3, 4 y 5 plantea el escenario, desarrollo y conclusiones obtenidas que han dado como resultado cada uno de los trabajos publicados de forma independiente.[CAT] En el present treball es realitza una anàlisi completa de les tècniques d'il·luminació i registre d'imatge desenvolupats fins al moment i que permeten emprar la fluorescència intrínseca d'estructures biològiques per a augmentar la capacitat d'identificació, detecció i anàlisi de lesions i anomalies que puguen presentar-se. El treball s'ha enfocat principalment en a) l'anàlisi, validació i desenvolupament de tècniques de detecció precoç de lesions associades al Carcinoma Escatós Epidermoide (oncologia otorrinolaringològica), així com possibles lesions precursores i b) l'anàlisi i desenvolupament d'una metodologia que permeta registrar imatges de fluorescència i quantificar mitjançant l'aplicació de tècniques de processament d'imatge l'afecció provocada per l'Acne Vulgaris (dermatologia). Es proposen noves formes d'adquisició, registre i processament d'imatges de fluorescència que milloren de manera objectiva la capacitat de detecció i gestió de les anteriors patologies. El desenvolupament de la Tesi ha donat lloc a diversos resultats. Part dels resultats s'han estructurat en forma d'articles d'investigació i treballs publicats en revistes JCR. Així, la tesi es desenvoluparà per Compendi d'Articles, incloent-se: a) Article d'Investigació 1 publicat en revista JCR. Segmentation methods for acne vulgaris images: Proposal of a new methodology applied to fluorescence images. b) Article d'Investigació 2 publicat en revista JCR. Hough Transform Sensitivivy Factor Calculation Model Applied to the Analysis of Acné Vulgaris Skin Lesions. c) Article d'Investigació publicat en Congrés Internacional. Analysis of segmentation methods for acne vulgaris images. Proposal of a new methodology applied to fluorescence images. d) Estudi Observacional (modalitat d'assaig clínic per a tècniques no invasives) amb DICTAMEN FAVORABLE per a la seua realització amb data 29 de Setembre de 2022. L'Estudi Observacional ha sigut avaluat pels membres del Comité Ètic d'Investigació amb medicaments del Departament Arnau de Vilanova-Llíria. A causa de la pandèmia causada per la COVID-19, l'execució del treball s'ha vist posposada i s'iniciarà en l'últim trimestre de 2022. Títol: ANÁLISIS DE IMÁGENES DE AUTOFLUORESCENCIA PARA SU USO POTENCIAL COMO SISTEMA NO INVASIVO EN LA DETECCIÓN DE LESIONES ORALES POTENCIALMENTE MALIGNAS. De manera addicional als treballs publicats, s'ha redactat en forma de review (susceptible de ser publicat) l'estat de l'art que ha permés desenvolupar l'OBJECTIU ESPECÍFIC 3. S'adjunta com a Article d'Investigació susceptible de publicació en revista JCR. Títol: Segmentation of acne vulgaris images algorithms. L'execució de l'Estudi Observacional es planteja com la línia d'investigació a seguir i que dona continuïtat a la investigació iniciada en la present Tesi Doctoral. El document de Tesi està estructurat en 7 capítols i 11 Annexos. Per al desenvolupament del present treball s'han plantejat tres objectius específics. Cada article o treball publicat es correspon amb el desenvolupament de cadascun dels tres objectius específics. Així, cadascun dels capítols 3, 4 i 5 planteja l'escenari, desenvolupament i conclusions obtingudes que han donat com a resultat cadascun dels treballs publicats de manera independent.[EN] In the present work, a complete analysis is made of the illumination and image recording techniques developed so far that allow the use of intrinsic fluorescence of biological structures to increase the capacity of identification, detection and analysis of lesions and anomalies that may occur. The work has focused mainly on a) the analysis, validation and development of techniques for the early detection of lesions associated with Squamous Epidermoid Carcinoma (otorhinolaryngological oncology), as well as possible precursor lesions, and b) the analysis and development of a methodology for recording fluorescence images and quantifying the condition caused by Acne Vulgaris (dermatology) through the application of image processing techniques. New ways of acquisition, registration and processing of fluorescence images are proposed to objectively improve the capacity of detection and management of the previous pathologies. The development of the Thesis has led to several results. Part of the results have been structured in the form of research articles and papers published in JCR journals. Thus, the thesis is going to be developed by Compendium of Articles, including: a) Research Article 1 published in JCR journal. Segmentation methods for acne vulgaris images: Proposal of a new methodology applied to fluorescence images. b) Research Article 2 published in JCR journal. Hough Transform Sensitivity Factor Calculation Model Applied to the Analysis of Acne Vulgaris Skin Lesions. c) Research Article published in International Congress. Analysis of segmentation methods for acne vulgaris images. Proposal of a new methodology applied to fluorescence images. d) Observational study (clinical trial modality for non-invasive techniques) with FAVORABLE OPINION for its realization on September 29, 2022. The Observational Study has been evaluated by the members of the Ethics Committee for Research with Medicines of the Arnau de Vilanova-Llíria Department. Due to the pandemic caused by COVID-19, the execution of the work has been postponed and will start in the last quarter of 2022. Title: ANALYSIS OF AUTOFLUORESCENCE IMAGES FOR POTENTIAL USE AS A NON-INVASIVE SYSTEM IN THE DETECTION OF POTENTIALLY MALIGNANT ORAL LESIONS. In addition to the published works, the state of the art that has allowed the development of SPECIFIC OBJECTIVE 3 has been written in the form of a review (susceptible of being published). It is attached as a Research Article susceptible of being published in a JCR journal. Title: Segmentation of acne vulgaris images algorithms. The execution of the Observational Study is proposed as the line of research to be followed and which gives continuity to the research initiated in the present Doctoral Thesis. The Thesis document is structured in 7 chapters and 11 Annexes. Three specific objectives have been set for the development of this work. Each article or published work corresponds to the development of each of the three specific objectives. Thus, each of the chapters 3, 4 and 5 presents the scenario, development and conclusions obtained that have resulted in each of the works published independently.Moncho Santonja, M. (2022). Aplicación de técnicas de iluminación y procesado de imagen para la detección y medición de lesiones [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191027Compendi

Aplicación de técnicas de visión multiespectral en cirugía

[ES] En el ámbito de la cirugía se usan de manera habitual herramientas de ayuda a la visión como son los Rayos X, lupas, microscopios, tinciones o endoscopios entre otros. En el campo de la visión directa, con o sin aumentos, la aplicación de diferentes iluminantes es un campo poco desarrollado. Existen técnicas que pueden permitir mejorar la identificación y discriminación de tejidos en función de la diferente respuesta de estos frente a diferentes longitudes de onda. En el presente TFG se desarrolla sobre la aplicación de diferentes técnicas de procesado de imagen asociadas al control de la fuente de iluminación para su aplicación en Cirugía sobre la identificación de tejidos. El proyecto se coordina entre el Centro de Investigación Tecnologías Gráficas (CITG) de la Universitat Politécnica de Valencia y el grupo de Cirugía Pediátrica del Hospital universitario y Politécnico la Fe de Valencia.[EN] On surgery, tools to help vision as X-rays, magnifying glasses, microscopes, stains or endoscopes among others are commonly used. On direct vision, with or without magnification, the application of different illuminants is an underdeveloped field. There are techniques able to improve the identification and discrimination of tissues depending on the different response of these to different wavelengths. In the present TFG develops on the application of different image processing techniques associated with the control of the source of illumination for its application in Surgery on the identification of tissues. The project is coordinated between the Research center in Graphic Technology (CITG) of the Universitat Politécnica de Valencia and the Pediatric Surgery team at the Hospital Universitario y Politécnico la Fe de Valencia.Moncho Santonja, M. (2018). Aplicación de técnicas de visión multiespectral en cirugía. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/106938TFG

Minimizing Shadow Area in Mountain Roads for Improving the Sustainability of Infrastructures

[EN] The lack of sunlight on mountain roads in the wintertime leads to an increase in accidents. In this paper, a methodology is presented for the use of sunny and shady areas to be included as a parameter in road design. The inclusion of this parameter allows for the design of an iterative method for the projected infrastructures. The parameterization of the road layout facilitates the possibility of applying an iterative process of modifying the geometric elements that constitute it, examining different layout alternatives until a layout is achieved in which the surface area in the shady area is minimized, increasing the road safety and minimizing environmental impact. The methodology has been defined, generating and analyzing the results of the solar lighting study using a file in IFC format capable of integrating with the rest of the design elements (platform, signaling, structures, etc.) and thus obtaining a BIM format which allows the model to be viewed in three dimensions and moves towards 4D and 5D. The model used for the study was a high mountain road located in the province of Teruel (Spain). It is a road section characterized by successive curves in which several traffic accidents have occurred due to running off the road, partly because of the presence of ice on the platform.Aranda Domingo, JÁ.; Moncho-Santonja, M.; Gil Sauri, MA.; Peris Fajarnes, G. (2021). Minimizing Shadow Area in Mountain Roads for Improving the Sustainability of Infrastructures. Sustainability. 13(10):1-16. https://doi.org/10.3390/su13105392S116131

Health care in rural areas: proposal of a new telemedicine program assisted from the reference health centers, for a sustainable digitization and its contribution to the carbon footprint reduction

[EN] Introduction This paper studies and quantifies the environmental benefits of implementing a new telemedicine service for users of the public health system in a rural area of Alicante (Spain). The proposed telemedicine service is based on carrying out 20% of the follow-on consultations with a specialist virtually from the Reference Health Centres with the support of qualified staff. This way of providing medical care remotely will be a good transition to fully online medical services, especially for the elderly. The proposed model avoids the displacement of users to the Alcoy Hospital, reducing the distances to be travelled, which will be directly reflected in a reduction of the emission of pollutants (carbon footprint) generated by patients' vehicles. Methods Data from the Alcoy Health Department were used for 2019, the last year of normal activity of the health centres before Covid-19. Using data from the Department's health management report and the emission factors of the vehicles, we calculated the distances, hours, litres of fuel saved, as well as the tonnes of CO2 equivalent, CO2, CH4 and N2O. Results With the implementation of this type of telemedicine, journeys would be avoided, saving 447,279 km, 7,580 h and 38,019 L of fuel. The emission into the atmosphere of 79.26 metric tons of CO2, 74.5 kg of CH4 and 487.28 kg of N2O per year would be avoided. Conclusions The implementation of this telemedicine service contributes to a high degree to: (a) increasing the environmental sustainability of the rural health sector thanks to the reduction of traffic emissions (saving 9% of pollutants compared to the current system), (b) decongesting the health system by reducing face-to-face visits to specialists, (c) increasing the quality of life of patients by avoiding road travel (d) promoting the digitalisation of the rural population.Silvia Aparisi-Navarro was supported by Universitat Politecnica de Valencia [PAID-01-2020]. Maria Moncho-Santonja was supported by Conselleria d'Educacio, Investigacio, Cultura i Esport [ACIF-20].Moncho-Santonja, M.; Aparisi-Navarro, S.; Defez Garcia, B.; Davol, A.; Peris Fajarnes, G. (2022). Health care in rural areas: proposal of a new telemedicine program assisted from the reference health centers, for a sustainable digitization and its contribution to the carbon footprint reduction. Heliyon. 8(7):1-6. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e09812168

Analysis of segmentation methods for acne vulgaris images. Proposal of a new methodology applied to fluorescence images

[EN] Acne vulgaris is one of the most common human pathologies worldwide. Its prevalence causes a high healthcare expenditure. Acne healthcare costs and effects on individuals' quality of life lead to the need of analysing current acne evaluation, treatment and monitoring methods. One of the most common ones is manual lesion counting by a dermatologist. However, this technique has several limitations, such as time spent. That is the reason why the development of new computer-assisted techniques are needed in order to automatically count the acne lesions. Nonetheless, the first step is automatic acne lesion detection on the skin of patients. The aim of this work is to propose a new methodology to solve the acne images segmentation problem, so that the implementation of a system for automatic counting is possible. The results would be a decrease in both time spent and diagnosis errors. With this objective, after doing a systematic review on the state of the art of acne images segmentation methods, fluorescence images of the face of acne patients are obtained. This image modality enhances visualization of the acne lesions. Finally, using the fluorescence images, a segmentation algorithm is implemented in MATLAB.Moncho Santonja, M.; Sanz Alamán, MB.; Defez Garcia, B.; Lengua Lengua, I.; Peris Fajarnes, G. (2020). Analysis of segmentation methods for acne vulgaris images. Proposal of a new methodology applied to fluorescence images. Editorial Universitat Politècnica de València. 431-440. https://doi.org/10.4995/INN2019.2019.10946OCS43144

Hough Transform Sensitivity Factor Calculation Model Applied to the Analysis of Acne Vulgaris Skin Lesions

[EN] The number of infectious spots or pathological structures recorded on dermatological images is a tool to aid in the diagnosis and monitoring of disease progression. Dermatological images for the detection and monitoring of the evolution of acne infections are evaluated globally, comparing whether the increase or decrease in infectious lesions appearing on an image is significant. This evaluation method is only indicative since its accuracy is low. The accuracy problem could be improved by an exact count of the number of structures and spots appearing on the image. The mathematical function circular Hough transform (CHT) function implemented in MATLAB is here applied to develop a procedure for counting these structures. CHT has been used in the recognition of benign and distorted red blood cells, in the detection of pellet sizes in industrial processes and in the automated detection and morphological characterization of breast tumor masses from infrared images, as well as for the detection of brain aneurysms and use in magnetic resonance imaging. The sensitivity factor is one of the many parameters required to feed the CHT algorithm. Its choice is unclear as there is no proper methodology to select an optimum value suitable for each image. In this work, a procedure for determining the optimal value of the sensitivity factor is proposed The approach is validated by comparison with the results of the manual counting of the points (ground truth).This work was supported for publication by the Conselleria de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital of the Generalitat Valenciana. All this work has been done in the CITG (Research Centre in Graphic Technologies) at the Universitat Politècnica de València.Moncho-Santonja, M.; Micó-Vicent, B.; Defez Garcia, B.; Jordán-Núñez, J.; Peris Fajarnes, G. (2022). Hough Transform Sensitivity Factor Calculation Model Applied to the Analysis of Acne Vulgaris Skin Lesions. Applied Sciences. 12(3):1-12. https://doi.org/10.3390/app12031691S11212

Capture and analysis of autofluorescence in biological tissues for identification and demarcation of lesions

[EN] In certain cell types substances called Chromophores are found. These substances are responsible of a particular way to the incidence of a specific light. Specifically, chromophores are responsible for the autofluorescence of certain cells. This work shows how the use of lighting techniques and image filtering take advantage of these properties in order to distinguish, even in tissues formed by the same cells, disturbances that are not perceptible under standard lighting conditions.In the paper, we explain how these techniques could improve certain surgical procedures, allowing the surgeon to have more complete and detailed information during the intervention itself.[ES] Los cromóforos son sustancias características que se encuentran en determinados tipos de células. Estas sustancias hacen que las células respondan de una manera particular frente a la incidencia de una luz específica. En concreto los cromóforos son los responsables de la autofluorescencia de determinadas células. En este trabajo se muestra cómo el uso de técnicas de iluminación y filtrado de la imagen aprovechan estas propiedades para llegar a distinguir, incluso en tejidos formados por las mismas células, desórdenes no perceptibles en condiciones de iluminación estàndar. En el trabajo se expone cómo estas técnicas podrían llegar a mejorar determinados procesos quirúrgicos permitiendo al cirujano disponer de una información más completa y detallada durante la propia intervención.Peris Fajarnes, G.; Defez Garcia, B.; Lengua Lengua, I.; Vila Carbo, JJ.; Moncho Santonja, M. (2019). Capture and analysis of autofluorescence in biological tissues for identification and demarcation of lesions. En INNODOCT/18. International Conference on Innovation, Documentation and Education. Editorial Universitat Politècnica de València. 225-234. https://doi.org/10.4995/INN2018.2018.8914OCS22523

Uso de ecuaciones alometricas sobre ArcGis para el cálculo de biomasa: Aplicación para la medición de la biomasa del Pinus Halepensis Mill de la Comunidad Valenciana

[ES] La medición de la biomasa es clave para la planificación, gestión y estimación de los recursos biológicos de una determinada zona. Éstos se encuentran relacionados directamente con los aspectos medioambientales de la zona analizada. En la actualidad el proceso de estimación o medición de la biomasa se realiza a partir de los datos recogidos en campo, sumado a una serie de operaciones posteriores que consumen una gran cantidad de tiempo y recursos manuales pese al uso de herramientas como las hojas de cálculo. En este trabajo precisamente se integran las experiencias y procedimientos de cálculo de biomasa de autores como Ricardo Ruiz-Peinado dentro del conocido software ArcGis. Se ha desarrollado una herramienta en el entorno de este software para la automatización de la estimación de biomasa del Pinus halepensis Mill a partir de ecuaciones alométricas y datos del Inventario Forestal Nacional (IFN), ya que es una especie muy representativa de la Comunidad Valenciana, figurando como especie dominante en el 62 por ciento de la superficie arbolada de la misma. Esta herramienta, permitirá un ahorro de tiempo considerable para la obtención del dato, y su adaptación para el cálculo de biomasa de otras especies. El resultado de ésta herramienta es una tabla base de datos, cuya unidad mínima es la parcela forestal (según el IFN) de la cual obtenemos los datos de: recuento de Pinos carrascos de la parcela, pies por hectárea, alturas máximas y medias, área basimétrica, indicé de Hart-Becking y biomasa en kg por hectárea y toneladas por hectárea.Aparisi Navarro, S.; Lengua Lengua, I.; Moncho Santonja, M.; Peris Fajarnes, G. (2020). Uso de ecuaciones alometricas sobre ArcGis para el cálculo de biomasa: Aplicación para la medición de la biomasa del Pinus Halepensis Mill de la Comunidad Valenciana. Editorial Universitat Politècnica de València. 961-968. https://doi.org/10.4995/INN2019.2019.10947OCS96196

Análisis de la cocción de alimentos precocinados mediante tecnología de infrarrojos

[ES] La presente investigación estudia la cocción de un alimento precocinado. Aprovechando que ciertos alimentos tienen forma cilíndrica, se utilizará el movimiento rotatorio para su cocción. Utilizando una cantidad mínima de aceite. Para la realización del experimento de cocción, se barajaros diferentes tipos de lámparas de tecnología infrarroja de diferentes longitudes de. Los resultados obtenidos nos indicarán si la cocción del producto se realiza de una forma adecuada. El objetivo es mantener las condiciones organolépticas, en comparación a la inmersión en aceite en alta temperatura. Al mismo tiempo, el resultado del estudio condicionará el posible diseño de un horno de cocción en continuo. Con la finalidad de cocinar este tipo de producto a nivel industrial.[EN] The present investigation studies the cooking of a precooked food. Taking advantage of the fact that certain aluments have a cylindrical shape, the rotary movement will be used for its cooking. Using a minimum amount of oil. To carry out the cooking experiment, different types of infrared technology lamps of different lengths are shuffled. The results obtained will indicate if the cooking of the product is carried out in an appropriate way. The objective is to maintain the organoleptic conditions, compared to high temperature oil immersion. At the same time, the result of the study will determine the possible design of a continuous cooking oven. In order to cook this type of product at an industrial levelPajares Moreno, B.; Peris Fajarnes, G.; Moncho Santonja, M.; Garrigós Simón, FJ.; Lengua Lengua, I. (2019). Análisis de la cocción de alimentos precocinados mediante tecnología de infrarrojos. En INNODOCT/18. International Conference on Innovation, Documentation and Education. Editorial Universitat Politècnica de València. 889-896. https://doi.org/10.4995/INN2018.2018.8904OCS88989

Utilization of consumer electronics for an economically affordable motorized wheelchair

[EN] A design (sketch) of a prototype electric scooter adaptable to a wheelchair is proposed. A mechanism that allows adapting an electric power unit to a conventional wheelchair is presented. The aim of this design is to create an economic solution to motorize a wheelchair and support the independent mobility of wheelchair users. This is especially relevant as the number of wheelchair users is increasing. The device consists of a self-balancing scooter, serving as the power unit, which is replacing the main wheels of the wheelchair and a metal link, connecting it to the wheelchair. The steering is controlled with two sticks, which directly exerts pressure on the sensor pad and steering unit of the self-balancing scooter. By using a self-balancing scooter and hardware store materials the costs can be kept low and accessible to many people.Prusas, B.; Mansoor, K.; Engelhardt, L.; Pirtilä, SI.; Walgers, B.; Lukoschek, L.; Lengua Lengua, I.... (2020). Utilization of consumer electronics for an economically affordable motorized wheelchair. Editorial Universitat Politècnica de València. 363-369. https://doi.org/10.4995/INN2019.2019.10224OCS36336