Dissertations / Theses on the topic 'Angular orientation'

A slender body theory method developed for a body moving parallel to a wall in shallow water is extended to include angular orientation of the body to the wall. The method satisfies only the zero normal velocity condition on the external boundaries but does not take into account the effect of induced flows on the body itself. A spheroid and a Series 60, block .80 hull were the bodies studied. The side force and yaw moment on each body were determined numerically for varying angular orientation with respect to either a single wall or canal bank. For both cases results for a range of depths and wall separation distances are presented. It is found that the method gives good qualitative side force predictions for a body moving parallel to a wall, but is unable to correctly predict the yaw moment or the side force due to angular orientation. This result dictates the need for a more complex mathematical model to properly represent the flow than the simple model and quasiâ steady method used here.

Master of Science

Using three linear accelerometers and three angular rate sensors arranged to measure local acceleration in the X, Y, and Z directions and angular velocity about those axes, it is possible to calculate spatial orientation and position in a global coordinate system. The intent of this thesis is to use this calculation to provide the head trajectory of an Anthropomorphic Test Device (ATD) to supplement or replace photometric analysis. This thesis examines the various parameters of the calculations of the spatial orientation and position to determine the most accurate and efficient method. Using the local angular velocity as an input, this method determines spatial orientation as a function of a unit quaternion by numerically solving a system of ordinary differential equation. The parameters of the numerical integration examined are the numerical integration methods, time step, and order of rotation. These functions are examined through simulation data generated by various MADYMO models. The MADYMO three-dimensional multi-body simulations output the linear accelerations and angular velocity of selected bodies in simulations similar to the data provided from accelerometers and angular rate sensors during dynamic impact testing. Simulation data is useful in the examination and validation of the different parameters used in the method due to the lack of noise and gravitational effects incurred during physical dynamic impact testing. The method is evaluated for dynamic impact testing through a comparison between the calculated spatial orientation and position using the algorithm and photometric analysis as well as physical limitations in the test setup, i.e. rigid bulkhead. The method is demonstrated to be successfully implemented into the NIAR Crash Dynamics Laboratory at Wichita State University.
Thesis (M.S.)--Wichita State University, College of Engineering, Dept. of Mechanical Engineering.

Flight control of small spacecraft is one of the most time-consuming and complex components of the process of their operation. This is especially true for small spacecraft, designed to implement modern space programs. As follows from the existing experience of creation and operation of small spacecraft, the reliability and safety of their flight are determined not only by the perfection of the aircraft, but also the quality of methods, tools and flight control systems. In addition, the requirements for control systems affect the appearance and characteristics of the small spacecraft , its systems and onboard software.
Керування польотом малих космічних кораблів є однією з найбільш трудомістких і складних складових процесу їх експлуатації. Особливо це стосується малих космічних кораблів, призначених для реалізації сучасних космічних програм. Як випливає з існуючого досвіду створення та експлуатації малих космічних кораблів, надійність та безпека їх польоту визначаються не тільки досконалістю літальних апаратів, але й якістю методів, інструментів та систем управління польотом. Крім того, вимоги до систем керування впливають на зовнішній вигляд та характеристики малого космічного корабля, його систем та бортового програмного забезпечення.

Diffusion-weighted magnetic resonance imaging (MRI) has allowed unprecedented non-invasive mapping of brain neural connectivity in vivo by means of fiber tractography applications. Fiber tractography has emerged as a useful tool for mapping brain white matter connectivity prior to surgery or in an intraoperative setting. The advent of high angular resolution diffusion-weighted imaging (HARDI) techniques in MRI for fiber tractography has allowed mapping of fiber tracts in areas of complex white matter fiber crossings. Raw HARDI images, as a result of elevated diffusion-weighting, suffer from depressed signal-to-noise ratio (SNR) levels. The accuracy of fiber tractography is dependent on the performance of the various methods extracting dominant fiber orientations from the HARDI-measured noisy diffusivity profiles. These methods will be sensitive to and directly affected by the noise. In the first part of the thesis this issue is addressed by applying an objective and adaptive smoothing to the noisy HARDI data via generalized cross-validation (GCV) by means of the smoothing splines on the sphere method for estimating the smooth diffusivity profiles in three dimensional diffusion space. Subsequently, fiber orientation distribution functions (ODFs) that reveal dominant fiber orientations in fiber crossings are then reconstructed from the smoothed diffusivity profiles using the Funk-Radon transform. Previous ODF smoothing techniques have been subjective and non-adaptive to data SNR. The GCV-smoothed ODFs from our method are accurate and are smoothed without external intervention facilitating more precise fiber tractography. Diffusion-weighted MRI studies in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) have revealed significant changes in diffusion parameters in ALS patient brains. With the need for early detection of possibly discrete upper motor neuron (UMN) degeneration signs in patients with early ALS, a HARDI study is applied in order to investigate diffusion-sensitive changes reflected in the diffusion tensor imaging (DTI) measures axial and radial diffusivity as well as the more commonly used measures fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD). The hypothesis is that there would be added utility in considering axial and radial diffusivities which directly reflect changes in the diffusion tensors in addition to FA and MD to aid in revealing neurodegenerative changes in ALS. In addition, applying adaptive smoothing via GCV to the HARDI data further facilitates the application of fiber tractography by automatically eliminating spurious noisy peaks in reconstructed ODFs that would mislead fiber tracking.

Dissertação de Mestrado em Fisioterapia. Relatório de Projeto de Investigação
Introdução: O Complexo articular do ombro é propício a várias patologias e disfunções do movimento que parecem estar relacionadas às alterações na orientação da omoplata. A literatura recentemente publicada enfatiza a necessidade de desenvolvimento de ferramentas clínicas medição da orientação da omoplata que sejam precisas e de fácil utilização. Objetivo: Contribuir para o desenvolvimento de um método clínico para medir a orientação da omoplata a 0º e 90º de elevação do ombro. Metodologia: Foi feito um estudo correlacional utilizando uma amostra de 20 participantes assintomáticos, selecionados por conveniência do corpo discente da ESS-IPS. Foram coletadas cinco medições lineares (M1, M2, M3, M4 e M5) por dois avaliadores independentemente em dois momentos diferentes entre as referências ósseas da coluna vertebral e da omoplata na elevação do braço a 0º e 90º no plano sagital, coronal e escapular. Foi coletada simultaneamente a orientação 3D da omoplata utilizando um dispositivo de varrimento eletromagnético (Flock of Birds) e o movimento reconstruído de acordo com as recomendações da Sociedade Internacional de Biomecânica. Resultados e Discussão: O valor das correlações entre medidas lineares e angulares da posição e orientação da omoplata foram definitos como de aceitáveis e moderados, sempre acima de 0,4 e 0,5, respectivamente. Com a elevação do MS a 0º no plano frontal, foram encontradas correlações estatisticamente significativas entre a rotação interna da omoplata com M2 e M5, e entre a rotação inferior da omoplata com M1, M3 e M4. No plano sagital, foram observadas correlações significativas entre a rotação interna da omoplata com M4, e da rotação superior da omoplata com M1 e M4. No plano da omoplata, encontraram-se correlações estatisticamente significantes entre a rotação interna da omoplata e M2 e da rotação inferior com M1. Na posição de 90º de elevação do MS, apenas M2 correlacionou-se significativamente com a rotação interna da omoplata. Conclusão: Estes resultados preliminares revelam uma promessa de um método clínico preciso e fácil de usar para quantificar a orientação da omoplata com base em medições lineares.
Abstract: Introduction: The shoulder complex, is prone to several pathologies and movement dysfunctions that seem to be related to alterations in scapula orientation. Recent published literature emphasize the need for the development of accurate and easy to use clinical tools to measure scapula orientation. Objective: Contribute to the development of a clinical method to measure scapula orientation at 0º and 90º of shoulder elevation. Methodology: A correlational study was conducted with a sample of 20 asymptomatic subjects, selected by convenience from the student community of the ESS-IPS. Five linear measurements (M1, M2, M3, M4 and M5) were independently collected separately by 2 researchers and in 2 different moments between pre-defined bony landmarks of the vertebral column and scapula with the arm at 0º and 90º of shoulder elevation in the sagittal, coronal and scapula’s plane. Simultaneously, scapular 3D orientation was collected using an electromagnetic tracking device (Flock of Birds) and motion reconstructed according to the International Society of Biomechanics recommendations. Results and Discussion: Correlations values between linear and angular measurements of the scapular orientation, were set as acceptable and moderate whenever above a cut-point of 0.4 and 0.5, respectively. With the arm at 0º of elevation, in the coronal plane, it were found statistical significant correlations between the scapula internal rotation values and M2 and M5, and between scapula’s medial rotation and M1, M3 and M4. In the sagittal plane, it were observed statistical significant correlations between scapula’s internal rotation and M4, and the scapula’s lateral rotation, and M1 and M4. In the scapula plane, statistical significant correlations were found between the scapula’s internal rotation and M2, and scapula’s medial rotation and M1. At 90º of arm elevation, only M2 was found to be statistical significant correlated with scapula’s internal rotation. Conclusion: This preliminary results unveil a promise application of an easy to use and accurate clinical method to quantify scapula orientation based on linear measurements.

Cette thèse traite du contrôle et de la caractérisation de l'alignement et de l'orientation du point de vue théorique et expérimental. L'alignement d'une molécule linéaire consiste à obtenir une probabilité élevée de localisation de l'axe internucléaire symétrique autour de l'axe de polarisation du champ tandis que l'orientation privilégie un sens particulier le long du champ. L'orientation à l'aide d'impulsions bi couleur (2+1) non résonnantes est étudiée en détail et les conditions permettant d'obtenir une orientation efficace sont examinées. Un schéma bi couleur où la deuxième harmonique est en quasi-résonance avec un niveau vibrationnel de la molécule est également étudié. Cette technique présente l'avantage d'offrir un paramètre supplémentaire à savoir l'écart à la résonance qui peut être ajusté de manière à optimiser l'orientation moléculaire. Finalement une nouvelle technique expérimentale de détection de l'alignement moléculaire est présentée. Celle-ci permet une détection monocoup de l'alignement moléculaire sur une étendue temporelle jusqu'alors inégalée.

De nos jours, les matériaux composites sont très largement utilisés dans l’industrie aéronautique et aérospatiale car ils ont de très bonnes tenues mécaniques, mais ces matériaux comportent de fortes hétérogénéités dues aux fibres et aux liants qui les constituent. Ainsi, depuis de nombreuses années, l’équipe TIFC «Thermal Imaging Fields and Characterization » du département TREFLE de l’institut I2M développe des méthodes de mesure des propriétés thermophysiques de matériaux hétérogènes dans le plan ou dans l’épaisseur. Ces méthodes sont très variées du point de vue des méthodes inverses (transformée intégrale, double décomposition en valeurs singulières, …) ou expérimentale (Flash, diode laser, …). Le faible coût des diodes lasers et des systèmes de déplacement de miroirs galvanométriques ont permis de développer un système complet de scanner optique laser, monté sur un banc de mesure. Il permet de revisiter les différents types de sollicitations thermiques et de réaliser une infinité de combinaisons spatiotemporelles d’excitations thermiques par méthode laser. Ceci est une des principales originalités de ce travail. De nouvelles méthodes inverses basées sur la réponse thermique au point source impulsionnel et sur la séparabilité des champs de température ont été proposées. Ces méthodes ont permis d’estimer le tenseur de diffusivité thermique selon les axes principaux d’anisotropie, mais aussi hors des axes du repère de l’image, où il est possible de déterminer l’orientation des axes d’anisotropie, lorsque le transfert de chaleur s’effectue hors des axes du repère de l’image. Ces méthodes ont permis d’obtenir des résultats intéressants comptetenu de leur simplicité. De plus, elles ont permis d’obtenir des cartographies de diffusivités thermiques dans le plan car, comparées aux autres méthodes, elles permettent d’obtenir des estimations du tenseur de diffusivité thermique localement grâce à l’obtention d’une cartographie de flux thermique surfacique via le scanner optique laser
Nowadays, composite materials are widely used in the aeronautic and aerospace industries because of their high mechanical resistance. However, they have a large heterogeneity due to the fiber and matrix they are made of. In this way, for many years, the TIC team «Thermal Imaging Fields and Characterization » from TREFLE department of I2M laboratory develops methods to measure thermal in-plane properties of heterogeneous materials such as inverses (integral transforms, double singular value decomposition…) or experimental (Flash, laser diode…) methods. The recent progress made in optical control, lasers and infrared (IR) cameras enables the development of a new scanning system (based on galvanometer-mirror) which allows the easy control of a laser hot spot spatial and temporal displacements over a plane surface. The low cost of laser diodes and optical control (galvanometric mirror) systems allows to develop a laser scanning system fixed on a test bench. We can revisit the different types of thermal excitation and realize infinite spatio-temporal combinations of thermal excitations by laser method. This is one of this thesis aims. New inverse methods based on the thermal response to an instantaneous point source heating, and temperature fields separability, have been proposed. These methods allow to estimate the thermal diffusivity tensor along the main axes of anisotropy, but also out of those axes, where it is possible to estimate the anisotropy axes orientation when the heat transfer takes place out of the image axes. These methods have produced interesting results in view of their simplicity. Moreover, they made it possible to obtain in-plane thermal diffusivities maps because, compared to the other methods, they allow to obtain, locally, thermal diffusivity tensor estimations by getting a surface heat flux map using the laser optical scanner

La cryo-microscopie électronique est une technique tomographique permettant de reconstituer la structure 3D d’un objet complexe en biologie à partir d’un jeu d’acquisitions. Ces images de l’objet complexe sont appelées les projections et sont acquises sous orientations inconnues. Un des avantages de la cryo-microscopie électronique est l’obtention d’un modèle 3D de très haute résolution de l’objet dans un état naturel. La procédure de reconstruction comporte plusieurs étapes telles que l’alignement, la classification des projections, l’estimation de leurs orientations et le raffinement des projections. Lors de ces étapes, la distance entre deux projections est fréquemment mesurée. Le travail réalisé au cours de cette thèse s’organise autour de la recherche théorique d’une distance entre des projections non-orientées avec comme objectif l’amélioration de la procédure de reconstruction tomographique en cryo-microscopie électronique. La contribution de ce travail de thèse est une méthode permettant d’estimer la différence angulaire entre deux projections dans les cas 2D et 3D. Notre méthode est basée sur la construction d’un graphe de voisinage dont les sommets sont les projections, dont les arêtes relient des projections voisines et sont pondérées par une approximation locale de la différence angulaire. Le calcul de ces poids repose sur les propriétés des moments de projection. Notre méthode est testée sur des images simulées de différentes résolutions et de différents niveaux du bruit. La comparaison avec des autres méthodes d’estimation de la différence angulaire est aussi réalisée
Cryo-electron microscopy is a tomographic technique allowing to reconstruct a 3D model of complex structure in biology from a set of acquired images. These images are known as the tomographic projections and are taken at unknown directions. The advantage of the cryo-electron microscopy is the 3D reconstruction at very high resolution. The reconstruction procedure consists of many steps such as projection alignment, projection classification, orientation estimation and projection refinement. During these steps, the distance between two projections is frequently measured. The work in this thesis aims at studying the distances mesured between two unknown-direction projections with the objective of improving the reconstruction result in the cryo-electron microscopy. The contribution of this thesis is the developement of a method for estimating the angular difference between two projections in 2D and 3D. Our method is based on the construction of a neighborhood graph whose vertices are the projections, whose edges link the projection neighbors and are weighted by a local approximation of the angular difference. The calculation of the weights relies on the projection moment properties. The proposed method has been tested on simulated images with different resolutions and at different noise levels. The comparison with others estimation methods of angular difference has been realised

Ce mémoire présente l'ensemble des étapes de pré-traitement appliquées aux images provenant de l'imagerie par résonance magnétique de diffusion afin de conseiller les meilleurs paramètres dans une étude de tractographie. L'imagerie de diffusion nous donne l'information locale des déplacements moyens des molécules d'eau dans le cerveau. Cette information nous permet d'inférer l'architecture de la matière blanche. La reconstruction du signal de diffusion fait appel à différentes méthodes plus ou moins aptes à restituer la complexité des configurations de fibres. Dans ce mémoire, nous proposons une nouvelle méthode de reconstruction du phénomène de diffusion basée sur la décomposition en ondelettes sphériques. Ensuite, en combinant ces informations à tous les points du cerveau nous reconstruisons le réseau de fibres de la matière blanche par un algorithme de tractographie déterministe. Afin d'initier cet algorithme, nous proposons une nouvelle méthode d'initialisation dans le but de mieux gérer la complexité des configurations de fibres au sein d'un seul voxel. Les fibres reconstruites sont très difficiles à évaluer dans le cerveau car nous ne connaissons pas la configuration réelle des fibres. Pour être en mesure d'évaluer nos méthodes de reconstruction, nous utilisons un fantôme calquant la complexité des configurations de fibres trouvées dans le cerveau. Dans ce mémoire, nous proposons un ensemble de métriques et un système de notations permettant d'évaluer automatiquement la qualité des résultats d'une tractographie. Nous concluons l'étude concernant les données synthétiques par un ensemble de conseils sur les paramètres à utiliser afin d'obtenir des résultats de tractographie optimaux. Finalement, nous évaluons qualitativement les résultats de tractographie issus de données réelles afin de confirmer nos choix sur les données fantômes.

碩士
國立中山大學
機械與機電工程學系研究所
102
The upward spreading flames are studied by experiments and numerical simulations in this study. In the experiments, flame spread on several narrow sample widths (1cm 1.25cm and 1.5cm) are tested; for the numerical simulation, a two-dimensional model is used (infinite wide width) to simulate the stead flame propagation. The effects of the inclined angle and area density of sample paper on flame shape and spread rate are investigated. From the experiments, it is found that the flame spread rate increases as sample width increases. In this study, several area densities, 0.0128g/cm2, 0.0061g/cm2 and 0.0028g/cm2 are also test in the experiments. The experimental data shows that the flame spread rate decreases as the area density increases. In addition, as the inclined angle ( 0-75 degree from the vertical) is increased, the flame length becomes shorter and the flame spread rate becomes slower. A two-dimensional model without gas-phase radiation is used to simulate the steady upward propagating flame. The effects of inclined angle and gravity level are tested. Similar to the experimental results, the flame length and spread rate decreases with the increase in inclined angle. As the gravity level is increase, the flame length increases. A low-gravity flame quenching limit can be found in this model. At high gravities, the oscillating and pulsating flames are simulated and no steady spreading flame exists. At low gravity, the convection heat to solid decreases and eventually leads to flame extinguishing.

This paper presents a method to reduce time complexity of the computation of higher–order tensor lines. The method can be applied to higher–order tensors and the spherical harmonics representation, both widely used in medical imaging. It is based on a gradient descend technique and integrates well into fiber tracking algorithms. Furthermore, the method improves the angular resolution in contrast to discrete sampling methods which is especially important to tractography, since there, small errors accumulate fast and make the result unusable. Our implementation does not interpolate derived directions but works directly on the interpolated tensor information. The specific contribution of this paper is a fast algorithm for tracking lines tensor fields of arbitrary order that increases angular resolution compared to previous approaches.

Кваліфікаційна робота присвячена розробленню пристроїв кутової орієнтації згортних втулок приводних роликових і втулкових ланцюгів та модернізації верстата-автомата для складання їх внутрішніх ланок. Кутова орієнтація згортних втулок у внутрішніх ланках приводних роликових і втулкових ланцюгів забезпечує підвищення якості цієї продукції за рахунок точності контактних кроків і збільшення зносостійкості шарнірів приводних роликових і втулкових ланцюгів. Розглянуто два типи пневматичних пристроїв для кутової орієнтації втулок внутрішніх ланок приводних роликових і втулкових ланцюгів. Отримані залежності для визначення конструкторських параметрів орієнтуючих пристроїв. У плані модернізації верстата запропоновано конструкторські вирішення приводу обертового руху ротора. Розглянуто і виконано комплекс теоретичних розрахунків процесу витікання струменів через відповідні радіальні і тангенціальні отвори. Поданий розрахунок економічної ефективності, який підтверджує доцільність виконання даної кваліфікаційної роботи. Отримані нові конструкторські варіанти орієнтуючих пристроїв; досліджено процес витікання і взаємодії струменів із внутрішньою циліндричною поверхнею згортних втулок; отримані силові характеристики процесу орієнтації і фіксації втулок; запропоновано нову конструкцію приводу ротора. Отримані залежності для визначення співвідношень діаметрів тангенціальних та радіальних отворів орієнтуючих пристроїв. Вперше отримані закономірності взаємодії струменів і залежності для визначення моментів повороту втулок при їх орієнтації. Використання запропонованих і науково обгрунтованих технічних рішень надає можливість, реалізуючи орієнтацію втулок, підвищити якість приводних роликових і втулкових ланцюгів та їх зносостійкість, що забезпечує певну економічну ефективність.
Qualification work is devoted to the development of devices for angular orientation of the folding bushings of the drive roller and bushing chains and the modernization of the machine for assembling their internal parts. The angular orientation of the convoluted bushings in the inner links of the drive roller and bushing chains provides an increase in the quality of these products due to the accuracy of contact steps and increase the wear resistance of the hinges of the drive roller and bushing chains. Two types of pneumatic devices for angular orientation of bushings of internal links of drive roller and bush chains are considered. The dependences for determination of design parameters of orienting devices are received. In terms of machine modernization, design solutions for the rotor rotation drive are proposed. A set of theoretical calculations of the process of jet leakage through the corresponding radial and tangential holes is considered and performed. The calculation of economic efficiency is given, which confirms the expediency of this qualification work. New design variants of orienting devices are received; the process of leakage and interaction of jets with the inner cylindrical surface of convoluted sleeves is investigated; the power characteristics of the process of orientation and fixation of the bushings; a new rotor drive design is proposed. The dependences for determining the ratios of the diameters of the tangential and radial holes of the orienting devices are obtained. For the first time the regularities of interaction of jets and dependences for definition of the moments of turn of plugs at their orientation are received. The use of the proposed and scientifically sound technical solutions provides an opportunity, implementing the orientation of the bushings, to improve the quality of drive roller and bushing chains and their wear resistance, which provides a certain economic efficiency.

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiações em Diagnóstico e Terapia), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012
A neuroanatomia humana tem sido objecto de estudo científico desde que surgiu o interesse na organização do corpo humano e nas suas funções, quer como um todo quer através das partes que o constituem. Para atingir este fim, as autópsias foram a primeira forma de revelar algum conhecimento, o qual tem vindo a ser catalogado e sistematizado à medida que a medicina evolui. Passando por novas técnicas de conservação e tratamento de tecido humano, de que são exemplo as dissecções de Klinger, nas quais se fazem secções de material conservado criogenicamente, bem como por estudos histológicos através da utilização de corantes, conseguiu-se uma forma complementar de realizar estes estudos. Permanecia, no entanto, a impossibilidade de analisar in vivo a estrutura e função dos diferentes sistemas que constitutem o Homem. Com o surgimento das técnicas imagiológicas o diagnóstico e monitorização do corpo humano, bem como das patologias a ele associadas, melhoraram consideravelmente. Mais recentemente, com o aparecimento da ressonância magnética (MRI: do Inglês "Magnetic Resonance Imaging"), tornou-se possível estudar as propriedades magnéticas do tecido, reflectindo as suas características intrínsecas com base na aplicação de impulsos de radiofrequência. Através de ressonância magnética é possível estudar essas propriedades em vários núcleos atómicos, sendo mais comum o estudo do hidrogénio, pois somos maioritariamente consistituídos por água e gordura. Uma vez que só é possível medir variações do campo magnético, aplicam-se impulsos de radiofrequência para perturbar o equilíbrio dos spins e medir os seus mecanismos de relaxação, os quais, indirectamente, reflectem a estrutura do tecido. Contudo, o sinal medido é desprovido de qualquer informação espacial. De facto, para podermos proceder a essa quantificação, é necessária a utilização de gradientes de campo magnético, que permitem modificar localmente a frequência de precessão dos protões, através da alteração local do campo magnético, permitindo assim, adquirir o sinal de forma sequencial. A informação obtida constitui uma função variável no espaço e através da transformação de Fourier pode ser quantificada em frequências espaciais, sendo estes dados armazenados no espaço k. O preencimento deste espaço, caracterizado por frequências espaciais, bem como os gradientes de campo magnético que são aplicados, permitem determinar a resolução da imagem que podemos obter, aplicando uma transformação de Fourier inversa. O estudo da ressonância magnética não se restringe à análise da estrutura mas também ao estudo da função e difusão das moléculas de água. A difusão é um processo aleatório, que se traduz pelo movimento térmico das moléculas de água, e o seu estudo permite inferir sobre o estado do tecido e microestrutura associada, de uma forma não invasiva e in vivo. A técnica de imagiologia de ressonância magnética ponderada por difusão (DWI: do Inglês "Diffusion Weighted Imaging") permite o estudo da direccionalidade das moléculas de água e extracção de índices que reflectem directamente a integridade dos tecidos biológicos. De modo a sensibilizar as moléculas de água à difusão, é necessário aplicar sequências de ressonância magnética modificadas, nas quais se aplicam gradientes de campo magnético de difusão para quantificar o deslocamento das moléculas e a sua relação com o coeficiente de difusão das mesmas. Num ambiente livre e sem barreiras a difusão das moléculas de água é isotrópica, uma vez que se apresenta igual em todas as direcções. Todavia, tal não se verifica no corpo humano. A presença destas barreiras leva a que, na verdade, apenas possa ser medido um coeficiente de difusão aparente. Este, por sua vez, traduz a interacção entre as moléculas de água com a microestrutura e, como tal, uma anisotropia na sua difusão. Como caso particular de difusão anisotrópica a nível cerebral, tem-se a difusão das moléculas de água na matéria branca, uma vez que esta apresenta uma direccionalidade preferencial de acordo com a orientação dos axónios, visto estarem presentes menos restrições à sua propagação, ao contrário do que acontece com a direcção perpendicular (devido à membrana celular e às bainhas de mielina). Por oposição, a matéria cinzenta, constituída pelo aglomerado dos corpos celulares dos neurónios, e o líquido cefalorraquidiano apresentam uma difusão sem direcção preferencial (i.e. aproximadamente isotrópica). A informação obtida através da difusão das moléculas de água encontra-se limitada pelo número de direcções segundo o qual aplicamos os gradientes de difusão. Deste modo, surgiu a imagiologia por tensor de difusão (DTI: do Inglês "Diffusion Tensor Imaging"). Esta técnica permite extrair informação acerca da tridimensionalidade da distribuição da difusão de moléculas de água através da aplicação de seis gradientes de difusão não colineares entre si. A distribuição destas moléculas pode, então, ser vista como um elipsóide, no qual o principal vector próprio do tensor representa a contribuição da difusão das moléculas segundo a direcção do axónio (ou paralela), sendo os dois restantes componentes responsáveis pela contribuição transversal. Além da difusividade média (MD: do Inglês "Mean Diffusivity") e das contribuições da difusão paralela (MD//) e perpendicular (MD ) às fibras, é também possível extrair outros índices, como a anisotropia fraccional (FA: do Inglês "Fractional Anisotropy"), que fornece informação acerca da percentagem de difusão anisotrópica num determinado voxel. Para a matéria branca, tal como já foi referido, existe difusão preferencial e, portanto, a anisotropia fraccional será elevada. Por outro lado, para a matéria cinzenta e para o líquido cefalorraquidiano, verificar-se-á uma FA reduzida, devido à ausência de anisotropia. Todavia, regiões com reduzida anisotropia fraccional podem camuflar regiões de conformação de cruzamento de fibras, ou fibras muito anguladas, que a imagiologia por tensor de difusão não consegue resolver. A razão para esta limitação reside no número reduzido de diferentes direcções de difusão que são exploradas, assim como o pressuposto de que a distribuição das moléculas de água é Gaussiana em todo o cérebro, o que não é necessariamente verdade. A fim de se ultrapassar estas limitações, novas técnicas surgiram, nomeadamente as de elevada resolução angular (HARDI: do Inglês "High Angular Resolution Diffusion Imaging"). Estas fazem uso de uma aquisição em função de múltiplas direcções de gradiente e de uma diferente modelação dos dados obtidos, dividindo-se em dois tipos. As técnicas livres de modelos permitem extrair uma função de distribuição da orientação das fibras num determinado voxel directamente do sinal e/ou transformações da função densidade de probabilidade do deslocamento das moléculas de água. Contrariamente, as técnicas baseadas em modelos admitem existir determinados constrangimentos anatómicos e que o sinal proveniente de um determinado voxel é originado por um conjunto de sinais individuais de fibras, caracterizados por uma distribuição preferencial das direcções das fibras. Todos estes métodos têm como objectivo principal recuperar a direcção preferencial da difusão das moléculas de água e reconstruir um trajecto tridimensional que represente a organização das fibras neuronais, pelo que se designam métodos de tractografia. Esta representa a única ferramenta não invasiva de visualização in vivo da matéria branca cerebral e o seu estudo tem revelado uma grande expansão associada ao estabelecimento de marcador biológico para diversas patologias. Adicionalmente, esta técnica tem vindo a tornar-se uma modalidade clínica de rotina e de diversos protocolos de investigação, sendo inclusivamente utilizada para complementar o planeamento em cirurgia, devido à natureza dos dados que gera. Particularmente no caso de dissecções manuais, nas quais os dados de tractografia são manuseados por pessoal especializado, com vista a realizar a parcelização de diferentes tractos de interesse, o processo é moroso e dependente do utilizador, revelando-se necessária a automatização do mesmo. Na realidade, já existem técnicas automáticas que fazem uso de algoritmos de agregação1, nos quais fibras são analisadas e agrupadas segundo características semelhantes, assim como técnicas baseadas em regiões de interesse, em que se extraem apenas os tractos seleccionados entre as regiões escolhidas. O objectivo principal desta dissertação prende-se com a análise automática de dados de tractografia, bem como a parcelização personalizada de tractos de interesse, também esta automática. Em primeiro lugar, foi desenvolvido um algoritmo capaz de lidar automaticamente com funções básicas de carregamento dos ficheiros de tractografia, o seu armazenamento em variáveis fáceis de manusear e a sua filtragem básica de acordo com regiões de interesse de teste. Neste processo de filtragem é feita a avaliação das fibras que atravessam a região de interesse considerada. Assim, após a localização das fibras entre as regiões de interesse os tractos resultantes podem ser guardados de duas formas, as quais têm, necessariamente, que ser especificadas antes de utilizar o software: um ficheiro que contém todas as fibras resultantes da parcelização e outro que contém o mapa de densidade associado, isto é, o número de fibras que se encontra em cada voxel. Após esta fase inicial, a flexibilidade e complexidade do software foi aumentando, uma vez que foram implementados novos filtros e a possibilidade de utilizar regiões de interesse de diferentes espaços anatómicos padrão. Fazendo uma análise a esta última melhoria, pode referir-se que, através de um procedimento de registo não linear da imagem anatómica do espaço padrão ao espaço individual de cada sujeito, foi possível, de forma automática, guardar o campo de deformações que caracteriza a transformação e, assim, gerar regiões de interesse personalizadas ao espaço do sujeito. Estas regiões de interesse serviram depois para a parcelização básica e para seleccionar tractos, mas também para filtragens adicionais, como a exclusão de fibras artefactuosas2 e um filtro especial, no qual apenas os pontos que ligam directamente as diferentes regiões são mantidos. Além do que já foi referido, recorreu-se também à aplicação de planos de interesse que actuam como constrangimentos neuroanatómicos, o que não permite, por exemplo, no caso da radiação óptica, que as fibras se propaguem para o lobo frontal. Esta ferramenta foi utilizada com sucesso para a parcelização automática do Fascículo Arcuado, Corpo Caloso e Radiação Óptica, tendo sido feita a comparação com a dissecção manual, em todos os casos. O estudo do Fasciculo Arcuado demonstrou ser o teste ideal para a ferramenta desenvolvida na medida que permitiu identificar o segmento longo, assim como descrito na literatura. O método automático de duas regiões de interesse deu a origem aos mesmos resultados obtidos manualmente e permitiu confirmar a necessidade de estudos mais aprofundados. Aumentando a complexidade do estudo, realizou-se a parcelização do Corpo Caloso de acordo com conectividade estrutural, isto é, com diferentes regiões envolvidas em funções distintas. Procedeu-se deste modo, e não com base em informação acerca de divisões geométricas, uma vez que estas já demonstraram incongruências quando correlacionadas com subdivisões funcionais. O uso adicional de regiões de interesse para a exclusão de fibras demonstrou-se benéfico na obtenção dos mapas finais. Finalmente, incluiu-se a utilização de um novo filtro para realizar a parcelização da Radiação Óptica, comparando os resultados para DTI e SD(do Inglês "Spherical Deconvolution"). Foi possível determinar limitações na primeira técnica que foram, no entanto, ultrapassadas pela utilização de SD. O atlas final gerado apresenta-se como uma mais-valia para o planeamento cirúrgico num ambiente clínico. O desenvolvimento desta ferramenta resultou em duas apresentações orais em conferências internacionais e encontra-se, de momento, a ser melhorada, a fim de se submeter um artigo de investigação original. Embora se tenha chegado a um resultado final positivo, tendo em conta a meta previamente estabelecida, está aberto o caminho para o seu aperfeiçoamento. Como exemplo disso, poder-se-á recorrer ao uso combinado das duas abordagens de parcelização automática e à utilização de índices específicos dos tractos, o que poderá trazer uma nova força à delineação dos tractos de interesse. Adicionalmente, é também possível melhorar os algoritmos de registo de imagem, tendo em conta a elevada variabilidade anatómica que alguns sujeitos apresentam. Como nota final, gostaria apenas de salientar que a imagiologia por difusão e, em particular, a tractografia, têm ainda muito espaço para progredir. A veracidade desta afirmação traduz-se pela existência de uma grande variedade de modelos e algoritmos implementados, sem que, no entanto, exista consenso na comunidade científica acerca da melhor abordagem a seguir.
Diffusion weighted imaging (DWI) has provided us a non-invasive technique to determine physiological information and infer about tissue microstructure. The human body is filled with barriers affecting the mobility of molecules and preventing it from being constant in different directions (anisotropic diffusion). In the brain, the sources for this anisotropy arise from dense packing axons and from the myelin sheath that surrounds them. Only with Diffusion Tensor Imaging (DTI) it was possible to fully characterize anisotropy by offering estimations for average diffusivities in each voxel. However, these methods were limited, not being able to reflect the index of anisotropic diffusion in regions with complex fibre conformations. It was possible to reduce those problems through the acquisition of many gradient directions with High Angular Resolution Diffusion Imaging (HARDI). There are model-free approaches such as Diffusion Spectrum Imaging (DSI) and Q-ball Imaging (QBI) which retrieve an orientation distribution function (ODF) directly from the water molecular displacement. Another method is Spherical Deconvolution, which is a model-based approach based on the computation of a fibre orientation distribution (FOD) from the deconvolution of the diffusion signal and a chosen fibre response function. Reconstructing the fibre orientations from the diffusion profile, generates a three-dimensional reconstruction of neuronal fibres (Tractography) whether in a deterministic, probabilistic or global way. Tractography has two main purposes: non-invasive and in vivo mapping of human white matter and neurosurgical planning. In order to achieve those purposes it is common to apply parcellation techniques which can be subdivided into ROI-based or Clustering base. The aim of this project is to develop an automated method of tract-based parcellation of different brain regions. This tool is essential to retrieve information about the architecture and connectivity of the brain, overcoming time consuming and expertise related issues derived from manual dissections. Firstly we investigated basic functions to handle diffusion and tractography data. In particular, we focused on how to load track files, filter them according to regions of interest and save the output in different formats. Results were always compared with manual dissection. The developed tool increased complexity by introduction a new filtering and the use of regions of interest from different standard spaces, created trough non-linear registrations. Three major tracts of interest were analysed: Arcuate Fasciculus, Corpus Callosum and Optic Radiation.