Tesis y Trabajos de Investigación PUCP

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Estudio de parámetros estadísticos para la detección de campos reverberantes uniformes en la formación de imágenes de elastografía
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-02-10) Miranda Zárate, Edmundo Arom; Romero Gutiérrez, Stefano Enrique; Castañeda Aphan, Benjamín
La elastografía abarca un grupo de técnicas no invasivas para la caracterización de tejidos como complemento al diagnóstico médico de diversas patologías. Una de estas técnicas es la Elastografía por Campo Reverberante (R-SWE, por sus siglas en inglés) que genera un campo reverberante acústico en el tejido de interés mediante múltiples fuentes de vibración, asumiendo una distribución isotrópica de ondas planas para facilitar el cálculo de la velocidad de onda de corte (SWS), la cual es proporcional a la elasticidad del medio. Su factibilidad ha sido validada para la caracterización de mamas, hígado, riñones, musculo y pie; sin embargo, el cálculo de la SWS ha sido comprobado mientras se verifique la uniformidad del campo. El modelo actual se basa en la umbralización del coeficiente de determinación R2 producto del ajuste de curva a la autocorrelación de la velocidad de partículas, no obstante, este es insuficiente como determinador y no analiza propiamente el concepto de uniformidad. En el presente trabajo, se presenta el estudio del fenómeno de uniformidad en un campo reverberante, mediante la extracción y análisis de estimadores estadísticos usados en campos reverberantes de ondas electromagnéticas con sus equivalencias en ondas mecánicas acústicas. Se propone un modelo identificación de campos reverberantes uniformes para la asistencia de la R-SWE, basado en clasificadores automáticos (Regresión Logística, LDA y SVM).
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Fundamentos para evaluar la generación de campo reverberante de ondas de corte en medios homogéneos
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-09-11) Flores Barrera, Gilmer Alberto; Castañeda Aphan, Benjamín; Ormachea Quispe, Juvenal
La elastografía es una modalidad de imagen médica que estima la viscoelasticidad de los tejidos, permitiendo la diferenciación cuantitativa entre región sana y región afectada [1]. Diversas técnicas convencionales se basan en la detección de las ondas de corte y la relación de su velocidad de propagación con la elasticidad del medio [2]. Estas asumen que dicha propagación es unidireccional. Sin embargo, las heterogeneidades y fronteras de los tejidos generan reflejos, provocando artefactos en las estimaciones [3]. Es por ello, que en los últimos tres años se ha desarrollado la técnica de elastografía por campo reverberante de ondas de corte, la cual presenta resultados prometedores en su aplicación clínica [3]–[8]. Este nuevo enfoque hace uso de múltiples fuentes de vibración armónica controlada con el fin de aprovechar la naturaleza reverberante de los tejidos y producir un campo difuso en la región de interés. No obstante, la generación de dicho campo, la calidad del mismo y su relación con el desempeño de los estimadores son condiciones poco exploradas. Por ello, el presente trabajo tiene como propósito delinear el objetivo principal, los objetivos específicos y el modelo de solución para realizar un futuro estudio experimental con el fin de evaluar la generación de campo reverberante de ondas de corte en medio homogéneos. Así, se describe el procedimiento teórico para la realización de simulaciones numéricas y experimentos con maniquí de gelatina. El primero se basa en el método de simulación de Monte Carlo, mientras que el segundo consiste en la aplicación de combinatoria extrema con el fin de evaluar el efecto de superposición de fuentes de vibración externa. En ambos, se analizará la generación de campo reverberante con base en el parámetro de calidad derivado de la similitud de lo obtenido con los modelos teóricos [8]: el coeficiente de determinación (R2). Asimismo, se evaluará el desempeño de tres estimadores de la velocidad de propagación de las ondas de corte (Cs): el ajuste de curva a las funciones teóricas [8], la aproximación del número de onda [3], [4], y, se propone, una modificación en la aproximación del número de onda.
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Characterization of healthy skin with high-frequency ultrasound using quantitative ultrasound
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-08-20) Saavedra Bazán, Ana Cecilia; Castañeda Aphan, Benjamín
The skin is the largest organ of the body that protects it from the external environment. High- frequency ultra sound (HF-US) has been used to visualize the skin in depth and to diagnose some pathologies in dermatological applications. Quantitative ultrasound (QUS) includes several techniques that provide values of particular physical properties. In this thesis work, three QUS parameters are explained and used to characterize healthy skin through HF-US: attenuation coefficient slope (ACS), backscatter coefficient (BSC) and shear wave speed (SWS). They were estimated with the regularized spectral-log difference (RSLD) method, the reference phan- tom method, and the crawling wave sonoelastography method, respectively. All the three parameters were assessed in phantoms, ex vivo and in vivo skin. In calibrated phantoms, RSLD showed a reduc- tion of up to 93% of the standard deviation concerning the estimation with SLD, and BSC showed an agreement with the Faran’s theoretical curve. In gelatin-based phantoms, surface acoustic waves (SAWs) were estimated in two interfaces: solid-water and solid-US gel, which all owed corroborating SAWs presence and finding an empirical compensation factor when the coupling interface is US gel. A correction factor of 0:97 for SAW-to-shear was found to avoid underestimation in phantoms. Porcine thigh was calculated in the range from 8 to 27 MHz, where the ACS was 4:08 _+_0:43 dB cm -1 MHz-1 and BSC was in the range from 10 1 to 10° sr-1 _cm-1. Crawling wave sonoelastography method was applied for the vibration frequencies between 200 Hz and 800 Hz, where SWS was in the range from 4:6 m/sto9:1 m/s. In vivo ACS and BSC were assessed in the healthy forearm and thigh, whereas SWS only in the thigh. The average ACS in the forearm dermis was 2.07dB cm-1 _MHz-1, which is in close agreement with the literature. A significant difference (p < 0.05) was found between the ACS in the forearm dermis and the thigh dermis (average ACS of 2.54dB cm-1 _MHz-1). The BSC of the forearm and thigh dermis were in the range from 10 -1 to 10° sr-1 _cm-1, and in the range from 10-1 to 10° sr-1 _cm-1, respectively. The SWS in the thigh dermis was 2:4 _+_0:38 m/s for a vibration frequency of 200Hz, with an increasing trend as frequency increases. Results suggest that these QUS parameters have the potential to be used as a tool for in vivo skin characterization and show potential for future application in skin lesions.
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Caracterización de un ecógrafo de investigación para aplicaciones en sonoelastografía
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2015-07-25) Torres Gárate, Gabriela; Castañeda Aphan, Benjamín; Ormacea Quispe, Juvenal
En la actualidad, diversas técnicas de elastografía buscan caracterizar tejidos para obtener parámetros de visco-elasticidad y poder identificar anomalías de forma no invasiva. Esta metodología se basa en la correlación de la variación de las propiedades mecánicas de los tejidos con cambios patológicos de los mismos, lo cual permite hallar anomalías en diferentes zonas del cuerpo. Dentro de estas técnicas, la sonoelastografía involucra un conjunto de métodos basados en la excitación mecánica del tejido para obtener parámetros de elasticidad relativa o absoluta, dependiendo de la modalidad del ensayo. Esta técnica se puede implementar en escáneres ultrasónicos comerciales que tengan la capacidad de generar imágenes modo Doppler, de forma que se puedan visualizar las señales sonoelastográficas deseadas, con la adición de vibradores externos a determinada frecuencia y amplitud de vibración. En la presente investigación se desarrolla una metodología para caracterizar la implementación del método de sonoelastografía, mediante el estudio de dos parámetros de un ecógrafo de investigación. Estos dos parámetros son: la frecuencia de repetición de pulso y el número de cuadros promedio para la estimación Doppler. Mediante el análisis del comportamiento de las señales en función la relación de estos dos parámetros, se modelarán las señales obtenidas en simulaciones y experimentos. En este sentido, se caracterizó el ecógrafo de investigación mediante la definición de una relación lineal entre ambos parámetros relacionada a la periodicidad de la señal. Asimismo, se analizó el efecto de ambos parámetros, concluyendo que para menores valores de frecuencia de repetición de pulso, el sistema aumenta su sensibilidad, ya que es capaz de medir señales a bajos valores de amplitud de vibración con una variabilidad menor al 10%. No obstante, su rango de medición para esta variabilidad es muy limitado. Esta limitación de rango se reduce al aumentar el valor de frecuencia de repetición de pulso. En contraste, a mayores valores de frecuencia de repetición de pulso, la sensibilidad del sistema se reduce, no pudiendo medir amplitudes de vibración pequeñas. Los resultados obtenidos se correlacionan en simulaciones y experimentos.
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Propuesta de técnica para la estimación de densidad mamaria en mamografías digitales utilizando técnicas de segmentación y estimadores globales
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2014-10-29) Segura del Río, César Whesly; Castañeda Aphan, Benjamín; Huaroc Moquillaza, Elizabeth Berenice
Anualmente un millón y medio de nuevos casos de cáncer de mama son diagnosticados alrededor del mundo. Por tal motivo, se han establecido estrategias de despistaje temprano de cáncer de mama que utilicen a la mamografía como principal herramienta. Adicionalmente, se han evaluado diversas variables clínicas que han sido capaces de estimar el riesgo a desarrollar esta neoplasia. Entre estas variables se encuentra la densidad mamaria o tejido denso catalogado como principal indicador del cáncer de mama. La densidad mamaria o tejido denso de la mama incrementa de 3.5 a 5 veces el riesgo de adquirir cáncer de mama. La mamografía es una imagen formada a partir del principio de rayos X, describe a los tejidos de la mama y permite la evaluación del estado clínico de los pacientes. Se utilizan dos acercamientos para su estudio, estos consisten en el análisis cualitativo y cuantitativo. En el primero se utiliza el criterio de la observación del médico para dar su juicio de cada caso. En el segundo se procesan digitalmente mamografías y se les aplican técnicas de segmentación, luego se utilizan métodos cuantificables como estimadores globales. La segmentación consiste en subdividir una mamografía en los tejidos que la constituyen mientras que los estimadores globales son algoritmos que se aplican a la imagen completa y brindan indicadores cuantitativos de esta. El objetivo de la presente tesis es realizar una comparación entre el tejido denso obtenido mediante los técnicas de segmentación de Bden, bimodal, C-medias difusas y Otsu con el establecido por un patrón de oro (segmentación manual de experto). A partir de las comparaciones, se propondrá un algoritmo de segmentación validado en base a estimadores globales. Para alcanzar dicho objetivo, se cumplirán los siguientes objetivos específicos: implementación de técnicas de segmentación de Bden, bimodal, C-medias difusas y Otsu para calcular el tejido denso; implementación de estimadores globales intersección sobre unión, índice de similitud estructural (SSIM) y norma L2; comparación cuantitativa del tejido denso entre mamografías segmentadas y mamografías del patrón de oro; implementación de propuesta de técnica de segmentación y cálculo de tejido denso de la mama. Se ha encontrado que la propuesta de técnica de segmentación implementada para el cálculo de tejido denso es superior a las demás técnicas en base a estimadores globales. La técnica propuesta también demuestra un mayor grado de correlación con el tejido denso calculado por los médicos que las segmentaciónes de Bden, bimodal, C-medias difusas y Otsu. Se ha encontrado que en base a los estimadores globales de intersección sobre unión y SSIM la técnica de segmentación propuesta presenta mejores resultados que las técnicas implementadas de Bden, bimodal, C-medias difusas y Otsu. El coeficiente de Pearson es el mejor indicador del grado de correlación que existe entre los porcentajes de tejido denso calculado por los médicos y la técnica propuesta que con el calculado por las demás técnicas.
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3D updating of solid models based on local geometrical meshes applied to the reconstruction of ancient monumental structures
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2014-10-14) Zvietcovich Zegarra, José Fernando; Castañeda Aphan, Benjamín; Perucchio, Renato
We introduce a novel methodology for locally updating an existing 3D solid model of a complex monumental structure with the geometric information provided by a 3D mesh (point cloud) extracted from the digital survey of a specific sector of a monument. Solid models are fundamental for engineering analysis and conservation of monumental structures of the cultural heritage. Finite elements analysis (FEA), the most versatile and commonly used tool for the numerical simulation of the static and dynamic response of large structures, requires 3D solids which accurately represent the outside as well as the inside geometry and topology of the domain to be analyzed. However, the structural changes introduced during the lifetime of the monument and the damage caused by anthropogenic and natural factors contribute to producing complex geometrical configurations that may not be generated with the desired accuracy in standard CAD solid modeling software. On the other hand, the development of digital techniques for surveying historical buildings and cultural monuments, such as laser scanning and photogrammetric reconstruction, has made possible the creation of accurate 3D mesh models describing the geometry of those structures for multiple applications in heritage documentation, preservation, and archaeological interpretations. The proposed methodology consists of a series of procedures which utilize image processing, computer vision, and computational geometry algorithms operating on entities defined in the Solid Modeling space and the Mesh space. The operand solid model is defined as the existing solid model to be updated. The 3D mesh model containing new surface information is first aligned to the operand solid model via 3D registration and, subsequently, segmented and converted to a provisional solid model incorporating the features to be added or subtracted. Finally, provisional and operand models are combined and data is transferred through regularized Boolean operations performed in a standard CAD environment. We test the procedure on the Main Platform of the Huaca de la Luna, Trujillo, Peru, one of the most important massive earthen structures of the Moche civilization. Solid models are defined in AutoCAD while 3D meshes are recorded with a Faro Focus laser scanner. The results indicate that the proposed methodology is effective at transferring complex geometrical and topological features from the mesh to the solid modeling space. The methodology preserves, as much as possible, the initial accuracy of meshes on the geometry of the resultant solid model which would be highly difficult and time consuming using manual approaches.
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Microscopio automatizado: conteo de bacilos de tuberculosis
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2013-11-07) Sato Yamada, Juan José; Castañeda Aphan, Benjamín
La prueba baciloscópica de la tuberculosis es la forma de diagnóstico microscópico más utilizado para combatir la enfermedad en los países pobres o subdesarrollados debido a su bajo costo y rapidez. Sin embargo, la realización de esta prueba es un proceso tedioso, extenuante y requiere de un especialista debidamente capacitado. Por ello, en el presente trabajo se presenta un algoritmo automatizado para la detección y conteo de bacilos de tuberculosis presentes en imágenes de muestras de esputo mediante la utilización de técnicas de procesamiento de imágenes digitales. Se analizaron diferentes espacios de color para hallar aquella capa o canal de color que posea un mayor contraste entre las intensidades de color de los píxeles de los bacilos y del fondo. Para esto se hizo un análisis de los histogramas mediante las gráficas de las características operativas del receptor. Para la segmentación de los bacilos, el presente trabajo desarrolló una técnica de umbralización adaptativa utilizando el método de Otsu para hallar el óptimo valor umbral. Luego, los objetos detectados son clasificados como bacilos o no-bacilos mediante un árbol de clasificación utilizando características de área y excentricidad. El algoritmo desarrollado presenta niveles de sensibilidad, especificidad y exactitud mayores a 90% y tiene un tiempo de ejecución de aproximadamente 9 segundos por campo (15 minutos para 100 campos). Cabe resaltar que, a diferencia de investigaciones previas, la presente tesis buscó desarrollar un algoritmo tanto de segmentación de los bacilos, como de su clasificación, e implementarlo en un microscopio automatizado para el diagnóstico automático de la enfermedad en tiempo real. Con esta finalidad, se implementó el algoritmo desarrollado con el programa Matlab® en un lenguaje de programación C++, obteniendo un programa capaz de interactuar con otros programas como el del control de la cámara digital. Se espera que este trabajo sirva de base para próximos estudios orientados a automatizar el proceso de diagnóstico de la enfermedad de una manera más óptima y veloz.

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