Les malalties cardiovasculars són una de les principals causes de mortalitat als països desenvolupats. La majoria d'elles són degudes a malalties arterials (especialment les coron ries), que vénen causades per l'acumulació de placa. Aquesta patologia estreny el flux sanguini (estenosi) i afecta les propietats elàstiques i bio-mecàniques (arteriosclerosi) de les artèries. En les últimes dècades, l'Ecografia Intra-Coronària (EIC) ha esdevingut una tècnica usual de diagnòstic per la imatge i seguiment de les malalties coronàries. L'EIC està basada en un cateterisme que mostra una seqüència d'imatges corresponents a seccions de l'artèria sota estudi. La inspecció visual de cadascuna d'aquestes imatges proporciona informació sobre el percentatge d'estenosi, mentre que la inspecció de les vistes longitudinals propociona informació sobre les propietats bio-mecàniques, que pot prevenir un desenllaç fatal de la malaltia cardiovascular. Per una banda, la dinàmica arterial (deguda al batec del cor, entre d'altres) és un dels principals artefactes per poder explorar les propietats biomecàniques. Al mateix temps, les mesures manuals d'estenosi requereixen un traçat manual de les vores del vas, tasca feixuga que consumeix molt de temps i que pot patir variabilitat entre observadors.Aquesta tesi proposa vàries eines de processament d'imatge per explorar la dinàmica de les artèries i les seves estructures. Presentem un model físic per extreure, analitzar i corregir la dinàmica rígida transversal dels vasos i per recuperar la fase cardíaca. A més, introduïm un mètode estadístic-determinista per a la detecció automàtica de les vores del vas. En particular, l'enfoquem a segmentar l'adventícia. Un protocol de validació acurat per assegurar una aplicació clínica fiable dels mètodes és un pas crucial en qualsevol proposta d'algorisme. En aquesta tesi tenim especial cura de dissenyar protocols de validació per a cadascuna de les tècniques proposades i contribuïmm a la validació de la dinàmica in vivo amb un indicador objectiu i quantitatiu per mesurar la quantitat de moviment suprimida. / Cardiovascular diseases are a leading cause of death in developed countries. Most of them are caused by arterial (specially coronary) diseases, mainly caused by plaque accumulation. Such pathology narrows blood flow (stenosis) and affects artery bio-mechanical elastic properties (atherosclerosis). In the last decades, IntraVascular UltraSound (IVUS) has become a usual imaging technique for the diagnosis and follow up of arterial diseases. IVUS is a catheter-based imaging technique which shows a sequence of cross sections of the artery under study. Inspection of a single image gives information about the percentage of stenosis. Meanwhile, inspection of longitudinal views provides information about artery bio-mechanical properties, which can prevent a fatal outcome of the cardiovascular disease. On one hand, dynamics of arteries (due to heart pumping among others) is a major artifact for exploring tissue bio-mechanical properties. On the other one, manual stenosis measurements require a manual tracing of vessel borders, which is a time-consuming task and might suffer from inter-observer variations.This PhD thesis proposes several image processing tools for exploring vessel dynamics and structures. We present a physics-based model to extract, analyze and correct vessel in-plane rigid dynamics and to retrieve cardiac phase. Furthermore, we introduce a deterministic-statistical method for automatic vessel borders detection. In particular, we address adventitia layer segmentation. An accurate validation protocol to ensure reliable clinical applicability of the methods is a crucial step in any proposal of an algorithm. In this thesis we take special care in designing a validation protocol for each approach proposed and we contribute to the in vivo dynamics validation with a quantitative and objective score to measure the amount of motion suppressed.

El uso de los ordenadores en Medicina Nuclear ha permitido la cuantificación de exploraciones, sobre todo las dinámicas. Debido a la gran cantidad de información presente en estos estudios es preciso efectuar una compresión de estos datos, de forma que hagan más fácil su interpretación. Una de las formas de reducción consiste en la obtención de imágenes paramétricas. El objetivo de este trabajo se centra en analizar la utilidad de estas imágenes paramétricas para la cuantificación de estudios dinámicos en tres aplicaciones. La primera aplicación es en los estudios de perfusión miocárdica que se utilizan para evaluar la irrigación del miocardio cuando se sospecha la existencia de enfermedad coronaria. En estos estudios se registran imágenes de esfuerzo y de redistribución, e interesa cuantificar la diferencia entre ambas. Nuestro objetivo fue cuantificar las diferencias entre las imágenes de esfuerzo y reposo por medio de una imagen paramétrica de “washout”, para lo cual es necesario eliminar la actividad extracardíaca y superponer ambas imágenes. Para comprobar la eficacia de diferentes métodos utilizables, se diseñó un modelo simulado por computador que incluía miocardio, fondo y posibles artefactos, a los que se les añadió un ruido. Se simularon imágenes de esfuerzo y reposo con cambios controlados en su distribución. Para efectuar la estimación del fondo se probaron diversos métodos de interpolación. Las pruebas realizadas demuestran que el método de Watson modificado es el que tiene el mejor comportamiento. Para alinear las imágenes de esfuerzo y redistribución de forma automática, probamos diversos algoritmos basados en la correlación. La correlación bidimensional restringida a la zona de mayor captación del miocardio, utilizando pixels alternos, se muestra como un método capaz de alinear las imágenes de esfuerzo y redistribución con suficiente precisión. Una vez efectuado el alineamiento de las imágenes se calculé la imagen paramétrica de “washout”. La cuantificación por medio de los valores medios en los diversos sectores estudiados, da resultados acordes con los teóricos. El método se aplicó sobre casos reales, obteniendo resultados concordantes con la patología. De esta parte se concluye que el método formado por la sustracción de fondo, la alineación de las imágenes y la construcción de la imagen paramétrica de “washout” es factible para la cuantificación de estudios planares de perfusión miocárdica. La segunda aplicación es sobre la ventriculografía isotópica en equilibrio, que es una exploración que permite estudiar el contenido de las cavidades ventriculares a lo largo del ciclo cardiaco, permitiendo estudiar el funcionalismo ventricular. Ha sido muy difundida la utilización de imágenes paramétricas de amplitud y fase del primer armónico del desarrollo de Fourier, que proporcionan información sobre la contractilidad y el sincronismo cardiaco. En este trabajo proponemos la utilización de dos armónicos para obtener nuevas imágenes paramétricas que reflejen las distintas fases del ciclo cardiaco. Estas corresponden a los parámetros: amplitud, tiempo de telesistole, fracción de eyección, máximas velocidades de vaciado y llenado y tiempos en los que se producen, además de una cuantificación utilizando el valor medio y desviación estándar de los valores de los parámetros en cada ventrículo. Los objetivos planteados fueron implementar el método compararlo con el estándar de un armónico. Se ha aplicado el método a un grupo formado por 13 voluntarios sanos, 10 hombres y 3 mujeres, lo que nos ha permitido estimar el rango de normalidad de los distintos parámetros en cada ventrículo. Los valores medios y desviaciones estándar de estos parámetros son distintos en los dos ventrículos. También se ha encontrando que los valores de tiempo de telesistole obtenidos con uno y dos arménicos son significativamente distintos siendo más altos y más dispersos, los obtenidos con un armónico. Las imágenes paramétricas calculadas mediante dos armónicos son más uniformes, existiendo diferencias significativas con los valores obtenidos mediante un armónico. El método también fue aplicado en varios sujetos con patología. En conjunto, puede concluirse que el método propuesto utilizando dos armónicos obtiene unos parámetros capaces de discriminar diversas patologías, siendo de utilidad para el estudio del funcionalismo cardíaco. La última aplicación es en los estudios de motilidad ciliar los cuales sirven para estudiar el comportamiento de los cilios de las mucosas que recubren las vías respiratorias. Su misión es transportar las partículas que se hayan depositado sobre ellos, hacia el exterior, a través de la boca. La velocidad con que estos cilios transportan estas partículas es importante ya que se ha observado que los enfermos con afección de las vías respiratorias presentan una disminución de esta capacidad protectora. Se ha desarrollado un método que permite cuantificar la velocidad de transporte en cualquier parte de la trayectoria. El método puede aplicarse los dos epitelios ciliadas que se encuentran en el organismo humano, corno son la mucosa nasal y la bronquial. Un conjunto de 14 sujetos normales voluntarios fue estudiado por esta técnica. El promedio de la velocidad media, en este grupo fue de S.3±1.4 mm/min. También se estudió un grupo de 16 laringectomizados, obteniendo un valor de 3.6±1.2 mm/min. La diferencia significativa hallada (p<0,005) demuestra que, en las personas laringectomizadas, se produce una alteración en la función de transporte probablemente l por atrofia de la mucosa nasal. El método implementado permite cuantificar con precisión la velocidad de transporte incluso en las diferentes partes del trayecto, pudiendo detectar zonas con motilidad ciliar anómalas por lo que puede ser de utilidad en el diagnóstico. / The aim of this work is to analyze the usefulness of the parametric images in the quantification of dynamic studies. To this purpose, they have been applied in three different situations. First, in myocardial perfusion this thesis studies to quantify the difference between the stress and redistribution images. In this case, a parametric image of washout was used. Methods of background substraction to eliminate non-cardiac activity and of superimposition of both stress and redistribution images were studied and their efficacy checked by means of a computer-simulated model. The results of the quantification method were in agreement with the theoretical ones. It was also applied to real images and the results were in agreement with the patient's pathology. The second application is on equilibrium radionuclide angiocardiography, in which the utilization of two harmonics is proposed in order to calculate parametric images of amplitude, time to end-systole, ejection fraction, peak ejection and peak tilling rates, and time-to-peak ejection and time-to-peak filling rates. The quantification of these images was made by using the mean and standard deviation of the values of these functional parameters for each ventricle. The method has been applied to the studies of 13 healthy volunteers, which has allowed us to determine the range of normal values for each parameter. It was also applied to subjects with cardiac pathology. The last application is studies of ciliary motility. A method has been developed which allows to quantity the velocity of transportation in any part of the trajectory of a drop of radiopharmaceutical placed on the nasal cilia. This technique was applied to 14 normal subjects and to 16 laringectomized patients. It was found that the velocity was lesser in the pathological group (3.6±1.2 mm/min) than in normals (5.3±1.4 mm/min), being the difference statistically significant (p<0,005). This demonstrates that in laringectomized patients an alteration of the transportation function occurs, probably for atrophy of nasal mucosa.

Este trabajo se inscribe en el ámbito del reconocimiento óptico de objetos o, en un marco más amplio, del procesado óptico de la información. El objetivo es, dado un cierto motivo a detectar, determinar su presencia y posición dentro de una escena compleja que pueda contenerlo. Un procedimiento que resulta sencillo de implementar con montajes ópticos se basa en el cálculo del producto de correlación entre la escena y el motivo (o referencia), operación que da una idea del grado de similitud entre ambas.Existen dos arquitecturas con las que es posible obtener la correlación ópticamente: el correlador de VanderLugt y el correlador de transformadas conjuntas (JTC). La incorporación a estos montajes de los denominados moduladores espaciales de luz, que permiten controlar de manera dinámica y precisa la amplitud y la fase de la luz, acompañada de la disponibilidad de otros dispositivos optoelectrónicos como los detectores de intensidad, permite diseñar correladores versátiles, fiables y operando a velocidades muy altas, que vienen limitadas únicamente por el tiempo de respuesta de los elementos optoelectrónicos. Las aplicaciones de estos dispositivos son múltiples, y se dan principalmente en campos como la robótica o visión artificial, la tecnología industrial en controles de calidad e inspección automática en cadenas de producción, la seguridad, la medicina, el reconocimiento de caracteres y la detección de blancos. En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un correlador óptico de transformadas conjuntas que incorpora una pantalla de cristal líquido para modular la luz y una cámara CCD para registrar la intensidad. El objetivo es estudiar y caracterizar los diferentes elementos y material de que se dispone y construir un sistema de reconocimiento de objetos que sea operativo, flexible y fiable. La metodología que resulte de este trabajo debe ser útil para aplicarla en el futuro, en el que la evolución de la tecnología aportará dispositivos de mejores prestaciones y permitirá el diseño de correladores más compactos, veloces y versátiles.El trabajo se divide en dos bloques: el de caracterización de los dispositivos y diseño del correlador y el de aplicaciones, es decir, utilización del sistema para casos prácticos y obtención de resultados experimentales.En lo que se refiere a la caracterización, se desarrolla en primer lugar un modelo teórico que demuestra las propiedades de modulación de los dispositivos de cristal líquido, controlados eléctricamente, como la pantalla de cristal líquido de que se dispone. El modelo se basa en el cálculo de las matrices de Jones del sistema, que describen cómo éste afecta al estado de polarización de la luz. A continuación, se describe el sistema optoelectrónico empleado para introducir las imágenes en dicha LCD, que incluye las especificaciones de la pantalla y su caracterización como modulador de la amplitud y de la fase de la luz. Asimismo, se presenta un nuevo método de medida de dicha fase, basado en el análisis de las franjas de interferencia obtenidas mediante un interferómetro de Mach-Zehnder. Por último, se ajustan las curvas de modulación experimentales con el modelo teórico descrito anteriormente.Una vez caracterizada la pantalla, es posible diseñar y analizar las condiciones óptimas de funcionamiento de un correlador de transformadas conjuntas que opera con un solo brazo difractor, teniendo en cuenta las especificaciones de los diferentes elementos, que incluyen, aparte de la LCD, una cámara CCD para registrar intensidades. Al utilizar el correlador diseñado para aplicaciones prácticas, es necesario que su capacidad de discriminación sea elevada, de manera que los resultados que se obtengan sean fiables. Ello requiere la introducción de efectos no lineales sobre el sistema, que puede realizarse de diversas formas. En este trabajo se estudian y comparan los resultados obtenidos con diferentes técnicas, donde se ve cómo la detección es, en todos los casos, satisfactoria. Aún más, aprovechando la capacidad de modulación de la fase de la LCD, es posible diseñar el denominado JTC sólo de fase, que mejora la eficiencia óptica del sistema.Por último, se adapta el correlador para un caso real en el que las escenas empleadas sufran dos tipos de degradación: un movimiento relativo o un desenfoque. Se analizan los problemas asociados y posibles soluciones. / A joint transform correlator (JTC) for object recognition practical applications is designed and implemented. The correlator gives real-time resu1ts by using a liquid crystal display to modu1ate the light beam in a controlled and accurate way, and a CCD camera that registers the intensity light distributions.The goal is to study and characterise the different e1ements and piece of equipment available, in order to build a flexible and reliable pattern recognition system.The methodology and experience derived from this work will be used in the future, when the technology development will bring better devices and will make possible that faster, more compact and versatile corre1ators are designed, with lots of applications.The characterisation consists mainly on obtaining the liquid crystal display complex modulation curves, which describe how the device modu1ates the amplitude and the phase of light. A new method to measure the phase modulation has been developed and presented.A correlator has been designed and used in pattern recognition applications. Specifically, a non-linear joint transform correlator has been implemented, in order to improve the system performance and discrimination capability. Moreover, the correlator has been adapted to realistic situations in which the scenes used suffered from two kinds of degradation: a relative movement and a blurring.

En aquest treball s'ha desenvolupat un protocol de classificació supervisada (també anomenat reconeixement de patrons: Pattern Recognition) d'imatges segmentades basat en l'extracció de característiques invariants a les transformacions geomètriques no deformatives i la utilització de mètodes multi variants de classificació, optimitzant el temps de càlcul. Per tant, com que les característiques calculades són invariants, s'ha aconseguit classificar les imatges independentment de la mida d'aquestes i posició i l'orientació d'aquestes dintre de l'escena. També s'ha aconseguit una taxa d'encerts de classificació propera al 100 % en els casos pràctics duta a terme.

Esta tesis se ha enfocado en el desarrollo y evaluación de un conjunto de técnicas eficientes para generar y procesar mallas triangulares adaptativas obtenidas a partir de imágenes digitales.Tres objetivos diferentes han sido considerados: (1) aproximación de imágenes digitales con mallas triangulares adaptativas, (2) ejecución de operaciones típicas de procesamiento de imagen sobre mallas triangulares adaptativas y (3) obtención de imágenes digitales a partir de mallas triangulares adaptativas.Aproximación de Imágenes Digitales con Mallas Triangulares AdaptativasDos nuevas técnicas para aproximar imágenes digitales con mallas triangulares adaptativas han sido estudiadas y desarrolladas en esta tesis.La primera técnica aproxima una imagen digital dada con una malla triangular adaptativa garantizando un máximo error (tolerancia) con respecto a la imagen original.La segunda técnica aproxima una imagen digital dada con una malla triangular adaptativa conservando las formas y discontinuidades presentes en la imagen, evitando criterios de optimización. Esta segunda técnica puede ser complementada con la primera si un máximo error debe ser garantizado.Operaciones de Procesamiento de Imagen sobre Mallas Triangulares AdaptativasUn conjunto de técnicas para aplicar operaciones de análisis y realzado de imágenes sobre mallas triangulares adaptativas han sido desarrolladas en esta tesis. Estas técnicas permiten la ejecución de operaciones típicas de procesamiento de imagen a mallas triangulares que representan cualquier tipo de información, tales como imágenes de nivel de gris, mapas de profundidad (range images) o superficies de terreno. De este modo, cualquiera de las operaciones típicas de procesamiento de imagen ejecutadas sobre imágenes de nivel de gris pueden también ser aplicadas a mallas triangulares en general.Una ventaja adicional de las técnicas propuestas es que dado que las mallas triangulares procesadas pueden ser representaciones compactas de las imágenes digitales, algunas operaciones de procesamiento de imagen aplicadas en el dominio geométrico a mallas triangulares pueden ser ejecutas más eficientemente que si ellas son aplicadas en el dominio de imagen a las imágenes originales píxel por píxel.Generación de Imágenes Digitales a partir de Mallas Triangulares AdaptativasAdemás de ser capaces de generar mallas triangulares adaptativas desde imágenes digitales, es también necesario proceder por el camino inverso a modo de determinar la exactitud con la cual las mallas obtenidas aproximan las imágenes originales. De este modo, dos técnicas eficientes que permiten la generación de imágenes digitales a partir de mallas triangulares adaptativas han sido propuestas. La primera técnica muestrea cada triángulo de la malla dada uniformemente en tantas posiciones como píxeles aquel triángulo cubre. El resultado es una imagen digital aproximante. La segunda técnica genera una imagen digital a partir de una malla triangular adaptativa dada aplicando funciones de la libreria gráfica OpenGL, las cuales están implementadas tomando ventaja de la aceleración por hardware. En este forma, el estado de generación de imagen llega a ser significativamente más rápido que la anterior técnica de muestreo uniforme geométrico.Aunque los objetivos anteriores deben ser entendidos dentro del campo de procesamiento de imagen, muchas de las técnicas propuestas pueden ser aplicadas a otros campos tales como: visión por computador, robótica, modelado de superficies de terreno o imágenes médicas, por mencionar unos pocos. / This dissertation has focused on the development and evaluation of a set of efficient techniques to generate and to process adaptive triangular meshes obtained from digital images. Three different goals have been considered: (1) approximating digital images with adaptive triangular meshes, (2) performing typical image processing operations upon adaptive triangular meshes and (3) obtaining digital images from adaptive triangular meshes.Approximation of Digital Images with Adaptive Triangular MeshesTwo new techniques for approximating digital images with adaptive triangular meshes have been studied and developed in this dissertation. The first technique approximates a given digital image with an adaptive triangular mesh guaranteeing a maximum error (tolerance) with respect to the original image. The second technique approximates a given digital image with an adaptive triangular mesh by preserving the shapes and discontinuities present in the image, avoiding optimization criteria. This second technique can be complemented with the first one if a maximum error is to be guaranteed.Image Processing Operations upon Adaptive Triangular MeshesA set of techniques to perform image analysis and enhancement operations upon adaptive triangular meshes has been developed in this dissertation. These techniques allow the application of typical image processing operations to triangular meshes that represent any type of information, such as gray-level images, range images or terrain surfaces. Hence, many of the typical image processing operations performed upon gray-level images can also be performed to triangular meshes in general.An additional advantage of the proposed techniques is that since the processed triangular meshes can be compact representations of digital images, some image processing operations applied in the geometric domain to triangular meshes can run more efficiently that if they are applied in the image domain to the original images pixel by pixel.Generation of Digital Images from Adaptive Triangular MeshesBesides being able to generate adaptive triangular meshes from digital images, it is also necessary to proceed in the other way round in order to determine the accuracy with which the obtained meshes approximate the original images. Hence, two efficient techniques that allow the generation of digital images from adaptive triangular meshes have been proposed. The first technique samples every triangle of the given mesh uniformly at as many positions as pixels that triangle covers. The result is an approximating digital image. The second technique generates a digital image from a given adaptive triangular mesh by applying functions of the OpenGL graphics library, which are implemented by taking advantage of hardware acceleration. In this way, the image generation stage turns out to be significantly faster than with the previous geometric uniform sampling technique.Although the previous objectives must be understood within the field of image processing, many of the proposed techniques can be applied to other fields such as: computer vision, robotics, terrain surface modeling or medical imaging, to mention a few.