Formulation and implementation of flexible surface models for the representation and morphological analysis of the respiratory airways in human lungs
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Date
2023
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Abstract
La enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) representa un problema critico de salud pública que requiere mejores herramientas de diagnóstico. Los estudios radiológicos e histológicos han demostrado que, durante el inicio y las primeras fases de la EPOC, las vías respiratorias grandes y pequeñas sufren una remodelación estructural que induce cambios en su morfología. Sin embargo, actualmente estos mecanismos no están bien establecidos en el diagnóstico por imagen de la EPOC, ya que el análisis morfológico regional de las vías respiratorias sigue siendo un reto tecnológico y requiere una mayor validación. En este trabajo, formulamos, implementamos y validamos representaciones geométricas de superficie y métodos de proyección para estudiar la morfología de las estructuras bronquiales y la deformación de los grandes vasos sanguíneos. En particular, proponemos los métodos SIGA y MISIGA, que proporcionan modelos geométricos continuos basados en imágenes de superficies 3D. Ambos enfoques utilizan la formulación del análisis isogeométrico para resolver el problema de segmentación de imágenes Snakes. El método SIGA se validó comparándolo con dos métodos de proyección ortogonal, mostrando superioridad en la representación de vías respiratorias enfermas con secciones transversales no convexas. Además, este enfoque se enriquece con la teoría de placas de Kirchhoff-Love para dar lugar al método MISIGA, que permite estimar los campos de deformación circunferencial ´ y longitudinal en vasos individuales. Como aplicación de relevancia médica, utilizamos el método SIGA para construir modelos geométricos del árbol bronquial de sujetos fumadores en estadios pre-COPD y COPD leve. A partir de estas representaciones, realizamos un estudio morfológico para comparar los biomarcadores geométricos de ambos grupos. Prevemos que el SIGA y el MISIGA pueden proporcionar evaluaciones geométricas y de deformación de alta fidelidad que pueden ser relevantes en el estudio del inicio y la progresión de la EPOC.
Description
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2023.
Keywords
Modelos de superficie, Análisis isogeométrico, Modelo de contornos activos Snakes, Enfermedad pulmonar obstructiva crónica, Vías respiratorias