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Caracterización de muestras Ex – vivo de nopal para su empleo en óptica biomédica

MANUEL ABRAHAM LOPEZ PACHECO (2012)

El nopal puede ser utilizado de forma confiable durante un periodo de 7 días y se puede considerar como un “estándar óptico” de fácil obtención en las técnicas de espectroscopia de reflexión difusa o tomografía óptica coherente.

Así mismo es posible evaluar configuraciones de puntas de prueba distintas o relacionadas a las utilizadas en este trabajo de tesis, además, puede ser utilizado en prácticas introductorias al conocimiento del esparcimiento de luz en medios turbios.

Debido a la estabilidad en sus espectros de reflexión difusa e imágenes OCT del nopal, es posible sugerir este vegetal como prueba de eficacia durante la creación de dispositivos de medición con características similares a los utilizados.

Con este trabajo se documentó por primera vez el comportamiento de luz polarizada en nopal (Opuntia sp) pero es necesario ampliar el espectro de experimentación.

Se encontró que las técnicas utilizadas en este trabajo pueden ser aplicadas no solo en el mundo de la medicina, sino también en el mundo de las ciencias agrícolas caracterizando otros tipos de tejidos vegetales.

Master thesis

Biomedical optical imaging Biological tissues Polarization Light polarization Monte Carlo methods CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA

Análisis teórico y experimental de la determinación de los parámetros ópticos mediante la video reflectometría

MARGARITA CUNILL RODRIGUEZ (2012)

En este trabajo de tesis doctoral se ha realizado un estudio teórico y experimental de una instalación de video reflectometría implementada para determinar las propiedades ópticas de muestras líquidas y gelatinosas (a base de intralípido-10%) con propiedades de esparcimiento similares a la dermis de la piel humana. En el plano teórico se abordaron los aspectos siguientes: 1) investigar la validez de la expresión analítica del modelo dipolar para describir la reflexión difusa Rd(r); 2) la simulación estocástica de Rd(r) para una fuente de luz láser similar a la de la instalación experimental; y 3) la simulación analítica de Rd(r) para el caso de incidencia oblicua de un haz de luz infinitamente fino con ángulos próximos a la normal. Los aspectos experimentales abordados fueron los siguientes: 1) propuesta y evaluación de un método para determinar el factor de escala de la instalación experimental; 2) investigación de la influencia del plano de enfoque de la cámara CCD y de las fronteras del contenedor de los phantoms en la determinación de las curvas Rd(r) y de las propiedades ópticas; y 3) evaluación del efecto de la rugosidad en las curvas de reflexión difusa para muestras gelatinosas cuya rugosidad superficial alcanzan valores promedio de hasta 1.1 μm.

Los resultados teóricos demostraron: 1) que el criterio de un 1 mfp’ como distancia radial que marca el límite para el uso de la expresión analítica del modelo dipolar no es totalmente válido, lo cual propició la propuesta de un procedimiento de ajuste óptimo de los datos, demostrándose además, que al emplear este algoritmo para la extracción de las propiedades ópticas de un medio simulado (curvas sintéticas) se obtienen errores de recuperación inferiores a un 2% para el coeficiente de esparcimiento reducido μs’; 2) que no existen diferencias significativas en la extracción de las propiedades ópticas cuando se trata de un haz Gaussiano con diámetro igual a 1 mm; y 3) que los errores de extracción de μs’, es siempre inferior a un 5% para las dos zonas donde tiene interés realizar el ajuste de los datos experimentales. Hasta donde conocemos un análisis como este no aparece reportado en la literatura consultada.

Doctoral thesis

Biomedical optical imaging Biomedical materials Diffusion Monte Carlo methods CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA

Image reconstruction in functional optical neuroimaging: the modelling and separation of the scalp blood flow

Javier Herrera-Vega (2018)

The reconstruction of brain haemodynamics from functional diffuse optical neuroimaging is severely affected by scalp blood flow. Correction of this artefact has received wide attention from the community with proposed solutions including variants of multidistance spectroscopy, spatial filtering, and concurrent physiological measurements. Here we investigate the less explored path of explicit parameterization of the forward modelling with the haemoglobin in the scalp, and face the challenge of inverting such model. It is hypothesized that incorporating scalp haemoglobin in the reconstruction process increases the sensitivity to gray matter haemoglobin (as compared to not doing so). This isn’t obvious since increasing the number of parameters of the model affects the conditioning of the problem as it is shown here. To ensure reconstruction remains feasible, we aim to put forth a solution based on the combination of a more detailed forward model, followed by a hybrid reconstruction algorithm. This hybrid reconstruction combines the precalculation of a colour map within a regularized Newton-based approximation in which the error estimation is based on Shampine’s optimized error function for algorithm stability. A realistic anatomical model of the adult human head is developed with finer detail considering the sublayers of the scalp. Optical properties of the head tissue are set from literatura or modelled according to existing theory when unavailable. Radiation transport is resolved using Monte Carlo method. The forward model is validated by matching and reconstructing broadband experimental spectra whilst checking that recovered parameters are within plausible physiological ranges. The results showed vectors of absolute concentrations of haemoglobins within plausible ranges. Model sensitivity was estimated and compared with existing models. Regarding inversion, we start by showing that naively upgrading the model number of parameters, impedes an otherwise monotonic behaviour. Then, the contribution of the haemoglobin in scalp is quantified in terms of contrast to noise ratio, and it is shown that the system becomes less stable when blood in the scalp is present. Finally, we carried out a study over the Cytochrome-c-oxidase as a marker of neural activity less affected by the blood in the scalp.

Doctoral thesis

fNIRS Optical imaging Reconstruction Inverse problem INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS TECNOLOGÍA DE LOS ORDENADORES LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN

HYDROPHONES BASED ON INTERFEROMETRIC FIBER-OPTIC SENSORS WITH APPLICATIONS IN PHOTOACOUSTICS

Amanda Salas (2017)

"Biomedical imaging used for medical diagnosis constantly requires improvement in the characteristics for imaging devices. The sensing devices are one of the most important pieces to improve in order to get images with better quality. In this thesis, it is proposed the use of interferometric fiber-optic sensors (which offer the advantages inherent to optical fibers) as devices to detect pressure/acoustic signals generated by the photoacoustic effect. It is explored the capability of using fiber-optic interferometric hydrophones in order to determine the thickness of a material derived from the acoustic signal generated when a sample is illuminated. In addition, the analysis of photoacoustic signals generated by the excitation of nanoparticles of an anisotropic material as absorption centers. Finally, the cross-section of a metallic sample was photoacoustically imaged by acquiring the pressure signals generated."

Master thesis

Biomedical imaging Hydrophones Photoacoustic imaging reconstruction Fiber optics sensors CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA INSTRUMENTOS ÓPTICOS INSTRUMENTOS ÓPTICOS

Segmentación y clasificación de células con leucemia a partir de información contextual en imágenes digitales

CAROLINA RETA CASTRO (2009)

In this thesis, we propose a bone marrow cell contextual analysis methodology for

the detection of acute leukemia subtypes. The first phase of the methodology focuses

on the segmentation and identification of cellular elements from bone marrow images.

In the second phase we perform feature extraction to the cells images obtained in the

first phase and use this information to classify the cells into leukemia subtypes. This

classification can be used to diagnose patients.

The segmentation algorithm uses as contextual information the color and texture of

the image pixels to be able to separate the nucleus and cytoplasm of blood cells from

bone marrow smear images, which show heterogeneous color and texture staining and

a high cell population. The regions obtained from segmentation are later analyzed to

identify the cells in the image.

An additional algorithm to identify cells is proposed in this work. This algorithm

also uses contextual information related to the color, shape, and containment proportion

among regions to determine whether an analyzed ROI (Region of Interest) is labeled as

a probable cell, nuclei, an overlapped nuclei or cell with other image elements or decide

it is not a region of interest. If the cell identification algorithm determines that the

ROI is overlapped with other elements, it divides the ROI by using a cell separation

algorithm also proposed in this thesis. Once all of the ROIs are labeled, the cell is

identified by associating its respective nuclei and cytoplasm, which is easily obtained

by applying difference-set operations.

The evaluation of the segmentation algorithm is carried out by comparing the identified

regions with a manual segmentation. In general, an average accuracy of 95% was

achieved in nucleus and cell segmentation using real bone marrow cells images. The

accuracy is considered pretty good due to its high impact on the process of automatic

classification of acute leukemia cells subtypes.

In the cell classification phase we extract descriptive features (morphological, statistical,

texture, size ratio and eigenvalues), to the nucleus and cytoplasm. These features

were the input to several attribute selection and classification algorithms in order to

generate patterns that facilitate the identification of the type and subtype of each acute

leukemia cell in the image collection.

En este trabajo de tesis se propone una metodología de análisis contextual de células

de médula ósea para la detección de subtipos de leucemia aguda. La primera fase de la

metodología se centra en la segmentación e identificación de los elementos celulares de

imágenes de médula ósea. En la segunda fase se realiza la extracción de características

de las imágenes de células identificadas en la primera fase, para clasificarlas en subtipos

de leucemia y diagnosticar al paciente.

El algoritmo de segmentación que se propone utiliza la información contextual del

color y textura de los píxeles de la imagen para extraer el núcleo y citoplasma de

células sanguíneas en imágenes digitales de frotis de médula ósea que presentan tinciones

heterogéneas en color y textura, así como una alta población de células. Las regiones

resultantes de la segmentación se analizan posteriormente para identificar las células en

la imagen.

El algoritmo de identificación de células que se propone utiliza la información contextual

del color, la forma y la relación de contenido entre regiones para determinar

si la ROI (Región de Interés - Region of Interest) analizada es una célula, un núcleo,

probablemente sea un núcleo o una célula traslapada con otros elementos o bien la

región no es de interés. Si el algoritmo de identificación de células determina que la

ROI presenta traslapes con otros elementos, ésta es dividida mediante el algoritmo de

separación de regiones que se diseñó en esta tesis. Una vez que se identificaron todas

las ROI se asocia el núcleo a la célula para verificar que esta última realmente lo es y

se obtiene el citoplasma de la misma.

La evaluación de la segmentación de las regiones identificadas se compara con la

segmentación manual realizada por el experto. En promedio se obtuvo una precisión

del 95% en el núcleo y la célula al utilizar imágenes reales de células de médula ósea.

La precisión alcanzada en esta evaluación es considerada muy buena ya que tiene un

alto impacto en el proceso de clasificación automática de subtipos de leucemias agudas.

En el proceso de clasificación, se extrajeron características morfológicas, estadísticas,

de textura, de proporción de tamaño y valores propios del núcleo y citoplasma

para representar a las células de manera descriptiva.

Master thesis

Imaging Image segmentation Image classification Data mining CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA MATEMÁTICAS CIENCIA DE LOS ORDENADORES

Algoritmo reversible para ocultamiento de datos y su arquitectura hardware

ZOBEIDA JEZABEL GUZMAN ZAVALETA (2008)

This thesis explores a reversible data hiding method for images and its hardware architecture design. Reversible data hiding is a particular kind of data hiding. Reversibility is the characteristic that the method can recover exactly the original host signal (without any distortion) upon extraction of the embedded information. Using the advantage of some proved methods, the proposed algorithm can embed a significant amount of data while keeping high visual quality.

Reversible (lossless) data hiding is widely used on sensitive imagery such as deep space exploration, military reconnaissance and medical diagnosis. In applications with this kind of images is necessary to preserve the original data integrity, for that reason other types of data hiding are not suitable.

The contributions accomplished in this project are: 1) the advantage and disadvantage exploration of existing methods for radiological medical images, 2) a new reversible data hiding algorithm including some improvement for achieving a better performance for radiological medical images, 3) a hardware architecture for the proposed method.

En esta tesis se propone un método para ocultamiento de datos sobre imágenes sin pérdida (reversible); así como el diseño de su arquitectura hardware. La característica reversible, se refiere a la capacidad del método de recuperar la imagen original después de haber recuperado la información oculta. Este algoritmo se basa en las ventajas de algunos métodos probados, obteniendo gran capacidad de ocultamiento y con buena calidad de la imagen.

Siendo reversible puede ser utilizado para ocultar datos en imagenología del tipo sensible, tal es el caso de imágenes de exploración espacial profunda, de reconocimiento militar y de diagnóstico médico. Los métodos de ocultamiento de datos con pérdida generalmente no son utilizados en este tipo de imágenes, ya que los usuarios se preocupan por no perder la información original.

Logros de esta tesis: 1) se exploraron las ventajas y desventajas de los algoritmos tomados como base sobre imágenes radiológicas, 2) algoritmo propuesto para ocultamiento de datos y algunas modificaciones para mejorar el rendimiento en imágenes radiológicas, 3) arquitectura hardware del algoritmo propuesto.

Master thesis

Data privacy FPGA Imaging INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS TECNOLOGÍA DE LOS ORDENADORES LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN

High-throughput phenotyping of canopy cover and senescence in maize field trials using aerial digital canopy imaging

Richard Makanza Mainassara Zaman-Allah Jill Cairns Cosmos Magorokosho Amsal Tarekegne Michael Olsen Prasanna Boddupalli (2018)

In the crop breeding process, the use of data collection methods that allow reliable assessment of crop adaptation traits, faster and cheaper than those currently in use, can significantly improve resource use efficiency by reducing selection cost and can contribute to increased genetic gain through improved selection efficiency. Current methods to estimate crop growth (ground canopy cover) and leaf senescence are essentially manual and/or by visual scoring, and are therefore often subjective, time consuming, and expensive. Aerial sensing technologies offer radically new perspectives for assessing these traits at low cost, faster, and in a more objective manner. We report the use of an unmanned aerial vehicle (UAV) equipped with an RGB camera for crop cover and canopy senescence assessment in maize field trials. Aerial-imaging-derived data showed a moderately high heritability for both traits with a significant genetic correlation with grain yield. In addition, in some cases, the correlation between the visual assessment (prone to subjectivity) of crop senescence and the senescence index, calculated from aerial imaging data, was significant. We concluded that the UAV-based aerial sensing platforms have great potential for monitoring the dynamics of crop canopy characteristics like crop vigor through ground canopy cover and canopy senescence in breeding trial plots. This is anticipated to assist in improving selection efficiency through higher accuracy and precision, as well as reduced time and cost of data collection.

Article

Maize Aerial surveying Phenotypes Remote sensing Aerial Sensing Crop Phenotyping Imaging MAIZE SENESCENCE CIENCIAS AGROPECUARIAS Y BIOTECNOLOGÍA

Codificación de la función de pupila para extender la profundidad de campo usando fuentes cuasi-puntuales

OMAR PALILLERO SANDOVAL (2015)

Se realizó una codificación del frente de onda para extender la profundidad

de campo (DOF por sus siglas en Inglés) en sistemas ópticos formadores

de imágenes introduciendo un filtro de fase en la función de pupila. Se proponen

tres placas de fase que extienden la profundidad de campo.

Un análisis numérico-experimental del desempeño de las placas de fase que

extienden la profundidad de campo se realizó introduciendo una fuente cuasipuntual.

Se usó el criterio de la función de Distribución de Wigner(WDF)

para determinar el tamaño del objeto que funge como fuente cuasi-puntual.

Este criterio consiste en que la WDF de la imagen detectada debe ser positiva

en el ancho de banda del sistema óptico.

El estudio numérico se realizó colocando objetos desenfocados y al utilizar

la teoría de formación de imágenes se obtiene una imagen llamada imagen

intermedia la cual requiere de un proceso de deconvolución para obtener la

imagen final. Este proceso se realizó mediante el uso de un filtro de Wiener.

Una verificación experimental del trabajo numérico se realizó en colaboraci

ón con el Instituto de Ciencias Fotónicas ICFO, de Barcelona, España,

donde se utilizó una técnica de Microscopia de fluorescencia conocida como

hoja de luz (SPIM por sus siglas en Inglés). La codificación de la función de

pupila se realizó mediante un espejo deformable y posteriormente, se implement

ó la etapa de deconvolución digital para restaurar la información de las

imágenes capturadas. Finalmente, se presenta en esta tesis una comparación

sistemática de los resultados de diferentes máscaras de fase que dan lugar a

una DOF extendida. Se demostró que el uso de la técnica SPIM con codificaci

ón de la función de pupila permite una amplia extensión de la DOF para

el estudio de muestras biológicas.

Doctoral thesis

Wavefront sensors Microscopy Imaging CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA

Desarrollo de un sistema óptico simple con codificador del frente de onda para extender la profundidad de campo

JOSE ANTONIO ARAIZA DURAN (2012)

Through the concept of the optical transfer function (OTF) the generalized pupil function of an imaging system is studied to comprehend the frequency respond of the system on the effect of misfocus. Then, this standard incoherent optical system is modified by placing a phase mask with a digital processing of the resulting intermediate image to deliver a near-diffraction-limited imaging performance with a large depth of field. For the phase mask design we use the ambiguity function to display the OTF for different values of misfocus and then select the ideal parameters for our imaging system with large depth of field. The phase mask alters or codes the received incoherent wave front in such a way that the point-spread function and the optical transfer function do not change appreciably as a function of misfocus. Two phase mask are presented: the cubic and the odd-symmetric quadratic, we test them to know their properties and characteristics. An analysis of their advantages and disadvantages is made to select one mask with the ideal parameters to be fabricated.

A través del concepto de la función de transferencia óptica (OTF) se estudia la función de pupila generalizada de un sistema formador de imágenes para conocer su respuesta en la frecuencia ante el error de foco. Este sistema incoherente estándar es modificado al agregarle una máscara de fase junto con un procesamiento digital a la imagen intermedia resultante para tener un sistema óptico con presencia de error de foco limitado por difracción con una extensión de su profundidad de campo. Para el diseño de la máscara de fase se emplea el uso de la función de ambigüedad para desplegar las OTF de diferentes valores de error de foco y con esto seleccionar la máscara de fase idónea para nuestro sistema óptico con gran profundidad de campo. Las máscaras de fase alteran o codifican el frente de onda incoherente que entra en el sistema de tal forma que la función de punto extendido y la OTF no cambian de manera considerable en función del error de foco. Se presentan dos máscaras de fase: la cúbica y la cuadrática con simetría impar. A partir de estas dos máscaras de fase se realiza una serie de pruebas que nos dan a conocer las propiedades y características de estas máscaras. Se hace un análisis de sus ventajas y desventajas, para seleccionar una máscara de fase con ciertos parámetros para fabricarse.

Master thesis

Imaging Focal planes Aberrations CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA

Stabilization of a class of biomedical systems via stability preservation

GUALBERTO CELESTINO SOLIS PERALES EDUARDO RUIZ VELAZQUEZ ALEJANDRO RICARDO FEMAT FLORES GUILLERMO FERNANDEZ ANAYA (2008)

"We present a method for stabilization of a class of nonlinear systems. The notion of stability preservation is exploited to prove that a transformation allows to find a stabilizer. The nonlinear systems have uncontrollable linearized system. From this fact, we propose a method that departs from a controllable linearized system to a linear transformation. The linear transformation allows to take the uncontrolled system preserving the stability properties of the controlled one. Thus, the resulting controller is able to stabilize biomedical systems. Type I diabetes mellitus and HIV-I diseases are used to show the potential of method. Numerical simulations for this case illustrate the performance of closed loop approach."

Article

Stability preservation Stabilization Biomedical systems CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA