Validation in-vivo des techniques d’élastographie ultrasonore, invasive et non-invasive, à l’aide d’un modèle porcin

Il est maintenant admis que la composition de la plaque athérosclérotique est un déterminant majeur de sa vulnérabilité à se rompre. Vu que la composition de la plaque affecte ses propriétés mécaniques, l'évaluation locale des propriétés mécaniques de la plaque d'athérome peut nous informer sur sa vulnérabilité. L'objectif est de comparer les techniques d’élastographie ultrasonores endovasculaire (EVE) et non-invasive (NIVE) en fonction de leur potentiel à identifier les composantes calcifiées et lipidiques de la plaque. Les acquisitions intravasculaire et extravasculaire ont été effectuées sur les artères carotidiennes de neuf porcs hypercholestérolémiques à l’aide d’un cathéter de 20 MHz et d'une sonde linéaire de 7.5 MHz, respectivement. Les valeurs de déformation radiale et axiale, rapportés par EVE et NIVE, ont été corrélées avec le pourcentage des zones histologiques calcifiées et lipidiques pour cinq plaques. Nos résultats démontrent une bonne corrélation positive entre les déformations et les composantes calcifiées (r2 = 0.82, P = 0.034 valeur par EVE et r2 = 0.80, P = 0.041 valeur par NIVE). Une forte corrélation entre les déformations axiales et les contenus lipidiques par NIVE (r2 = 0.92, P-value = 0.010) a été obtenue. En conclusion, NIVE et EVE sont des techniques potentielles pour identifier les composants de la plaque et aider les médecins à diagnostiquer précocement les plaques vulnérables.

Characterization of Carotid Plaques with Ultrasound Non-Invasive Vascular Elastography (NIVE) : Feasibility and Correlation with High-Resolution Magnetic Resonance Imaging

L’accident vasculaire cérébral (AVC) est une cause principale de décès et de morbidité dans le monde; une bonne partie des AVC est causée par la plaque d’athérosclérose carotidienne. La prévention de l’AVC chez les patients ayant une plaque carotidienne demeure controversée, vu les risques et bénéfices ambigus associés au traitement chirurgical ou médical. Plusieurs méthodes d’imagerie ont été développées afin d’étudier la plaque vulnérable (dont le risque est élevé), mais aucune n’est suffisamment validée ou accessible pour permettre une utilisation comme outil de dépistage. L’élastographie non-invasive vasculaire (NIVE) est une technique nouvelle qui cartographie les déformations (élasticité) de la plaque afin de détecter les plaque vulnérables; cette technique n’est pas encore validée cliniquement. Le but de ce projet est d’évaluer la capacité de NIVE de caractériser la composition de la plaque et sa vulnérabilité in vivo chez des patients ayant des plaques sévères carotidiennes, en utilisant comme étalon de référence, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) à haute-résolution. Afin de poursuivre cette étude, une connaissance accrue de l’AVC, l’athérosclérose, la plaque vulnérable, ainsi que des techniques actuelles d’imagerie de la plaque carotidienne, est requise. Trente-et-un sujets ont été examinés par NIVE par ultrasonographie et IRM à haute-résolution. Sur 31 plaques, 9 étaient symptomatiques, 17 contenaient des lipides, et 7 étaient vulnérables selon l’IRM. Les déformations étaient significativement plus petites chez les plaques contenant des lipides, avec une sensibilité élevée et une spécificité modérée. Une association quadratique entre la déformation et la quantité de lipide a été trouvée. Les déformations ne pouvaient pas distinguer les plaques vulnérables ou symptomatiques. En conclusion, NIVE par ultrasonographie est faisable chez des patients ayant des sténoses carotidiennes significatives et peut détecter la présence d’un coeur lipidique. Des études supplémentaires de progression de la plaque avec NIVE sont requises afin d’identifier les plaques vulnérables.

Abdominal aortic aneurysm follow-up after endovascular repair in a canine model with non-invasive vascular elastography

Le traitement chirurgical des anévrismes de l'aorte abdominale est de plus en plus remplacé par la réparation endovasculaire de l’anévrisme (« endovascular aneurysm repair », EVAR) en utilisant des endoprothèses (« stent-grafts », SGs). Cependant, l'efficacité de cette approche moins invasive est compromise par l'incidence de l'écoulement persistant dans l'anévrisme, appelé endofuites menant à une rupture d'anévrisme si elle n'est pas détectée. Par conséquent, une surveillance de longue durée par tomodensitométrie sur une base annuelle est nécessaire ce qui augmente le coût de la procédure EVAR, exposant le patient à un rayonnement ionisants et un agent de contraste néphrotoxique. Le mécanisme de rupture d'anévrisme secondaire à l'endofuite est lié à une pression du sac de l'anévrisme proche de la pression systémique. Il existe une relation entre la contraction ou l'expansion du sac et la pressurisation du sac. La pressurisation résiduelle de l'anévrisme aortique abdominale va induire une pulsation et une circulation sanguine à l'intérieur du sac empêchant ainsi la thrombose du sac et la guérison de l'anévrisme. L'élastographie vasculaire non-invasive (« non-invasive vascular elastography », NIVE) utilisant le « Lagrangian Speckle Model Estimator » (LSME) peut devenir une technique d'imagerie complémentaire pour le suivi des anévrismes après réparation endovasculaire. NIVE a la capacité de fournir des informations importantes sur l'organisation d'un thrombus dans le sac de l'anévrisme et sur la détection des endofuites. La caractérisation de l'organisation d'un thrombus n'a pas été possible dans une étude NIVE précédente. Une limitation de cette étude était l'absence d'examen tomodensitométrique comme étalon-or pour le diagnostic d'endofuites. Nous avons cherché à appliquer et optimiser la technique NIVE pour le suivi des anévrismes de l'aorte abdominale (AAA) après EVAR avec endoprothèse dans un modèle canin dans le but de détecter et caractériser les endofuites et l'organisation du thrombus. Des SGs ont été implantés dans un groupe de 18 chiens avec un anévrisme créé dans l'aorte abdominale. Des endofuites de type I ont été créés dans 4 anévrismes, de type II dans 13 anévrismes tandis qu’un anévrisme n’avait aucune endofuite. L'échographie Doppler (« Doppler ultrasound », DUS) et les examens NIVE ont été réalisés avant puis à 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois après l’EVAR. Une angiographie, une tomodensitométrie et des coupes macroscopiques ont été réalisées au moment du sacrifice. Les valeurs de contrainte ont été calculées en utilisant l`algorithme LSME. Les régions d'endofuite, de thrombus frais (non organisé) et de thrombus solide (organisé) ont été identifiées et segmentées en comparant les résultats de la tomodensitométrie et de l’étude macroscopique. Les valeurs de contrainte dans les zones avec endofuite, thrombus frais et organisé ont été comparées. Les valeurs de contrainte étaient significativement différentes entre les zones d'endofuites, les zones de thrombus frais ou organisé et entre les zones de thrombus frais et organisé. Toutes les endofuites ont été clairement caractérisées par les examens d'élastographie. Aucune corrélation n'a été trouvée entre les valeurs de contrainte et le type d'endofuite, la pression de sac, la taille des endofuites et la taille de l'anévrisme.

Surveillance non invasive de la réponse neuroimmunitaire fœtale à l’infection

Introduction. In utero, l’infection des membranes maternelles et fœtales, la chorioamniotite, passe souvent inaperçue et, en particulier lorsque associée à une acidémie, due à l’occlusion du cordon ombilical (OCO), comme il se produirait au cours du travail, peut entrainer des lésions cérébrales et avoir des répercussions neurologiques péri - et postnatales à long terme chez le fœtus. Il n'existe actuellement aucun moyen de détecter précocement ces conditions pathologiques in utéro afin de prévenir ou de limiter ces atteintes. Hypothèses. 1)l’électroencéphalogramme (EEG) fœtal obtenu du scalp fœtal pourrait servir d’outil auxiliaire à la surveillance électronique fœtale du rythme cardiaque fœtal (RCF) pour la détection précoce d'acidémie fœtale et d'agression neurologique; 2) la fréquence d’échantillonnage de l’ECG fœtal (ECGf) a un impact important sur le monitoring continu de la Variabilité du Rythme Cardiaque (VRCf) dans la prédiction de l’acidémie fœtale ; 3) les patrons de la corrélation de la VRCf aux cytokines pro-inflammatoires refléteront les états de réponses spontanées versus inflammatoires de la Voie Cholinergique Anti-inflammatoire (VCA); 4) grâce au développement d’un modèle de prédictions mathématiques, la prédiction du pH et de l’excès de base (EB) à la naissance sera possible avec seulement une heure de monitoring d’ECGf. Méthodes. Dans une série d’études fondamentales et cliniques, en utilisant respectivement le mouton et une cohorte de femmes en travail comme modèle expérimental et clinique , nous avons modélisé 1) une situation d’hypoxie cérébrale résultant de séquences d’occlusion du cordon ombilical de sévérité croissante jusqu’à atteindre un pH critique limite de 7.00 comme méthode expérimentale analogue au travail humain pour tester les première et deuxième hypothèses 2) un inflammation fœtale modérée en administrant le LPS à une autre cohorte animale pour vérifier la troisième hypothèse et 3) un modèle mathématique de prédictions à partir de paramètres et mesures validés cliniquement qui permettraient de déterminer les facteurs de prédiction d’une détresse fœtale pour tester la dernière hypothèse. Résultats. Les séries d’OCO répétitives se sont soldés par une acidose marquée (pH artériel 7.35±0.01 à 7.00±0.01), une diminution des amplitudes à l'électroencéphalogramme( EEG) synchronisé avec les décélérations du RCF induites par les OCO accompagnées d'une baisse pathologique de la pression artérielle (PA) et une augmentation marquée de VRCf avec hypoxie-acidémie aggravante à 1000 Hz, mais pas à 4 Hz, fréquence d’échantillonnage utilisée en clinique. L’administration du LPS entraîne une inflammation systémique chez le fœtus avec les IL-6 atteignant un pic 3 h après et des modifications de la VRCf retraçant précisément ce profil temporel des cytokines. En clinique, avec nos cohortes originale et de validation, un modèle statistique basée sur une matrice de 103 mesures de VRCf (R2 = 0,90, P < 0,001) permettent de prédire le pH mais pas l’EB, avec une heure d’enregistrement du RCF avant la poussée. Conclusions. La diminution de l'amplitude à l'EEG suggère un mécanisme d'arrêt adaptatif neuroprotecteur du cerveau et suggère que l'EEG fœtal puisse être un complément utile à la surveillance du RCF pendant le travail à haut risque chez la femme. La VRCf étant capable de détecter une hypoxie-acidémie aggravante tôt chez le fœtus à 1000Hz vs 4 Hz évoque qu’un mode d'acquisition d’ECG fœtal plus sensible pourrait constituer une solution. Des profils distinctifs de mesures de la VRCf, identifiés en corrélation avec les niveaux de l'inflammation, ouvre une nouvelle voie pour caractériser le profil inflammatoire de la réponse fœtale à l’infection. En clinique, un monitoring de chevet de prédiction du pH et EB à la naissance, à partir de mesures de VRCf permettrait des interprétations visuelles plus explicites pour des prises de décision plus exactes en obstétrique au cours du travail.

Non invasive classification system of scoliosis curve types using least-squares support vector machines

Objective To determine scoliosis curve types using non invasive surface acquisition, without prior knowledge from X-ray data. Methods Classification of scoliosis deformities according to curve type is used in the clinical management of scoliotic patients. In this work, we propose a robust system that can determine the scoliosis curve type from non invasive acquisition of the 3D back surface of the patients. The 3D image of the surface of the trunk is divided into patches and local geometric descriptors characterizing the back surface are computed from each patch and constitute the features. We reduce the dimensionality by using principal component analysis and retain 53 components using an overlap criterion combined with the total variance in the observed variables. In this work, a multi-class classifier is built with least-squares support vector machines (LS-SVM). The original LS-SVM formulation was modified by weighting the positive and negative samples differently and a new kernel was designed in order to achieve a robust classifier. The proposed system is validated using data from 165 patients with different scoliosis curve types. The results of our non invasive classification were compared with those obtained by an expert using X-ray images. Results The average rate of successful classification was computed using a leave-one-out cross-validation procedure. The overall accuracy of the system was 95%. As for the correct classification rates per class, we obtained 96%, 84% and 97% for the thoracic, double major and lumbar/thoracolumbar curve types, respectively. Conclusion This study shows that it is possible to find a relationship between the internal deformity and the back surface deformity in scoliosis with machine learning methods. The proposed system uses non invasive surface acquisition, which is safe for the patient as it involves no radiation. Also, the design of a specific kernel improved classification performance.

Statistical model based 3D shape prediction of postoperative trunks for non-invasive scoliosis surgery planning

One of the major concerns of scoliosis patients undergoing surgical treatment is the aesthetic aspect of the surgery outcome. It would be useful to predict the postoperative appearance of the patient trunk in the course of a surgery planning process in order to take into account the expectations of the patient. In this paper, we propose to use least squares support vector regression for the prediction of the postoperative trunk 3D shape after spine surgery for adolescent idiopathic scoliosis. Five dimensionality reduction techniques used in conjunction with the support vector machine are compared. The methods are evaluated in terms of their accuracy, based on the leave-one-out cross-validation performed on a database of 141 cases. The results indicate that the 3D shape predictions using a dimensionality reduction obtained by simultaneous decomposition of the predictors and response variables have the best accuracy.

Towards Non Invasive Diagnosis of Scoliosis Using Semi-supervised Learning Approach

In this paper, a new methodology for the prediction of scoliosis curve types from non invasive acquisitions of the back surface of the trunk is proposed. One hundred and fifty-nine scoliosis patients had their back surface acquired in 3D using an optical digitizer. Each surface is then characterized by 45 local measurements of the back surface rotation. Using a semi-supervised algorithm, the classifier is trained with only 32 labeled and 58 unlabeled data. Tested on 69 new samples, the classifier succeeded in classifying correctly 87.0% of the data. After reducing the number of labeled training samples to 12, the behavior of the resulting classifier tends to be similar to the reference case where the classifier is trained only with the maximum number of available labeled data. Moreover, the addition of unlabeled data guided the classifier towards more generalizable boundaries between the classes. Those results provide a proof of feasibility for using a semi-supervised learning algorithm to train a classifier for the prediction of a scoliosis curve type, when only a few training data are labeled. This constitutes a promising clinical finding since it will allow the diagnosis and the follow-up of scoliotic deformities without exposing the patient to X-ray radiations.

Non-invasive quantitative assessment of scoliosis spinal surgery outcome

Improving the appearance of the trunk is an important goal of scoliosis surgical treatment, mainly in patients' eyes. Unfortunately, existing methods for assessing postoperative trunk appearance are rather subjective as they rely on a qualitative evaluation of the trunk shape. In this paper, an objective method is proposed to quantify the changes in trunk shape after surgery. Using a non-invasive optical system, the whole trunk surface is acquired and reconstructed in 3D. Trunk shape is described by two functional measurements spanning the trunk length: the lateral deviation and the axial rotation. To measure the pre and postoperative differences, a correction rate is computed for both measurements. On a cohort of 36 scoliosis patients with the same spinal curve type who underwent the same surgical approach, surgery achieved a very good correction of the lateral trunk deviation (median correction of 76%) and a poor to moderate correction of the back axial rotation (median correction of 19%). These results demonstrate that after surgery, patients are still confronted with residual trunk deformity, mainly a persisting hump on the back. That can be explained by the fact that current scoliosis assessment and treatment planning are based solely on radiographic measures of the spinal deformity and do not take trunk deformity into consideration. It is believed that with our novel quantitative trunk shape descriptor, clinicians and surgeons can now objectively assess trunk deformity and postoperative shape and propose new treatment strategies that could better address patients' concern about their appearance. © (2013) COPYRIGHT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). Downloading of the abstract is permitted for personal use only.

Non-Invasive Prenatal Testing: Review of Ethical, Legal and Social Implications

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Non-invasive Studies on Age Related Parameters Using a Blood Volume Pulse Sensor

A non-invasive technique is implemented to measure a parameter which is closely related to the distensibility of large arteries, using the second derivative of the infrared photoplethysmographic waveform. Thirty subjects within the age group of 20-61 years were involved in this pilot study. Two new parameters, namely the area of the photoplethysmographic waveform under the systolic peak, and the ratio of the time delay between the systolic and the diastolic peaks and the time period of the waveform ( T/T) were studied as a function of age. It was found that while the parameter which is supposed to be a marker of distensibility of large arteries and T /T values correlate negatively with age, the area under the systolic peak correlates positively with age. The results suggest that the derived parameters could provide a simple, non-invasive means for studying the changes in the elastic properties of the vascular system as a function of age.

A calibrated, non-invasive method for measuring the internal interface height field at high resolution in the rotating, two-layer annulus

We describe a remote sensing method for measuring the internal interface height field in a rotating, two-layer annulus laboratory experiment. The method is non-invasive, avoiding the possibility of an interaction between the flow and the measurement device. The height fields retrieved are accurate and highly resolved in both space and time. The technique is based on a flow visualization method developed by previous workers, and relies upon the optical rotation properties of the working liquids. The previous methods returned only qualitative interface maps, however. In the present study, a technique is developed for deriving quantitative maps by calibrating height against the colour fields registered by a camera which views the flow from above. We use a layer-wise torque balance analysis to determine the equilibrium interface height field analytically, in order to derive the calibration curves. With the current system, viewing an annulus of outer radius 125 mm and depth 250 mm from a distance of 2 m, the inferred height fields have horizontal, vertical and temporal resolutions of up to 0.2 mm, 1 mm and 0.04 s, respectively.

Non-invasive imaging of roots with high resolution X-ray micro-tomography

ray micro-tomography is a well-established technique for non-invasive imaging and evaluation of heterogeneous materials. An inexpensive X-ray micro-tomography system has been designed and built for the specific purposes of examining root growth and root/soil interactions. The system uses a silver target X-ray source with a focal spot diameter of 80 mum, an X-ray image intensifier with a sampling aperture of about 100 mum, and a sample with a diameter of 25 mm. Pre-germinated wheat and rape seeds were grown for up to 8-10 days in plastic containers in a sandy loam soil sieved to < 250 μm, and imaged with the X-ray system at regular intervals. The quality of 3 D image obtained was good allowing the development and growth of both root axes and some first-order laterals to be observed. The satisfactory discrimination between soil and roots enabled measurements of root diameter (wheat values were 0.48-1.22 mm) in individual tomographic slices and, by tracking from slice to slice, root lengths were also measured. The measurements obtained were generally within 10% of those obtained from destructive samples measured manually and with a flat-bed scanner. Further developments of the system will allow more detailed examination of the root: soil interface.

Fecal water as a non-invasive biomarker in nutritional intervention: comparison of preparation methods and refinement of different endpoints

The assessment of cellular effects by the aqueous phase of human feces (fecal water, FW) is a useful biomarker approach to study cancer risks and protective activities of food. In order to refine and develop the biomarker, different protocols of preparing FW were compared. Fecal waters were prepared by 3 methods: (A) direct centrifugation; (B) extraction of feces in PBS before centrifugation; and (C) centrifugation of lyophilized and reconstituted feces. Genotoxicity was determined in colon cells using the Comet assay. Selected samples were investigated for additional parameters related to carcinogenesis. Two of 7 FWs obtained by methods A and B were similarly genotoxic. Method B, however, yielded higher volumes of FW, allowing sterile filtration for long-term culture experiments. Four of 7 samples were non-genotoxic when prepared according to all 3 methods. FW from lyophilized feces and from fresh samples were equally genotoxic. FWs modulated cytotoxicity, paracellular permeability, and invasion, independent of their genotoxicity. All 3 methods of FW preparation can be used to assess genotoxicity. The higher volumes of FWobtained by preparation method B greatly enhance the perspectives of measuring different types of biological parameters and using these to disclose activities related to cancer development.

Non-invasive sampling techniques : applications for mapping the generic variation of powerful owls

The Powerful Owl (Ninox strenua) is endemic to Australia, being resident in the three eastern mainland states and the Australian Capital Territory. It is classified nationally as of conservation significance and vulnerable in the state of Victoria. The elusive nature of this owl, along with its dispersed distribution, low population density and difficulty in identifying individual birds, limit the collection of ecological data. Molecular methods can be used to obtain crucial ecological information, essential for Powerful Owl conservation.

Non-invasive sampling is a relatively new method used for obtaining genetic material from free-ranging animals. This type of sampling however, is generally overlooked as a potential DNA source. Shed hair and feathers, faeces, urine, skins and eggshells are all potential sources of DNA. Non-invasive sampling regimes may be the only alternative for the genetic analysis of endangered and/or elusive species that are difficult to sample otherwise.

Powerful Owls moult annually. Shed feathers therefore, can be collected from under roost trees and used for genetic analysis. Feathers collected provide DNA that is unique to the individual and can provide additional ecological knowledge of the species.

In this study we collected shed Powerful Owl feathers during 2003 and 2004. In order to obtain samples from across the owl's large distribution, public awareness about the project via the way of flyers, mail-outs, media sources (radio, newspapers and magazines), email lists and public seminars was initiated. Overall, the collection strategy was very successful with over 500 Powerful Owl feather samples being collected.

Genetic information obtained from the analysis of DNA from feathers can enable a more rigorous assessment of population viability of the Powerful Owl. Specifically designed molecular markers will facilitate unequivocal identification of individual birds ("DNA fingerprinting"). Through the application of molecular techniques we can collect ecological information about the Powerful Owl such as, genetic divergence, population structure, dispersal patterns, migration and inbreeding. These questions can not be addressed via traditional data collection and will contribute significantly to the successful conservation of the Powerful Owl and potentially other raptor species.

Sexing accuracy and indicators of maturation status in captive Murray cod Maccullochella peelii peelii using non-invasive ultrasonic imagery

Macroscopic- and histological-based assessments of gonad condition were compared with ultrasound images to determine the feasibility of this technology as a non-invasive diagnostic tool for identifying sex and assessing maturation status of Murray cod. Four age-classes (1⁺, 2⁺, 3⁺ and 6⁺ years), were sub-sampled at monthly intervals throughout their annual reproductive cycle and scanned with a 5 MHz linear transducer. An interpretation of sex was made from the resulting images and maximum cross-sectional gonad diameter and area were recorded. Fish were subsequently dissected to confirm gender, and the weights and maturation status of gonads determined and then compared with their respective image profile. Ovaries of females were usually a distinctive feature in ultrasound images, being particularly obvious in older and/or more developed fish. In contrast, the identification of male testis was more problematic. Nonetheless, identifying sex from ultrasound images was consistently achieved by recording the presence/absence of a female ovary (96% total sexing accuracy). Maximum cross-sectional ovary diameter and area were highly correlated with gonad weight (r² = 0.90 and 0.89, respectively) suggesting that indices of maturation status, comparable to the gonadosomatic index (GSI), can be obtained non-destructively from ultrasound scans of females. A less distinct relationship occurred between these dimensions and weight of testes (r² = 0.41). Significant increases (P < 0.05) in mean gonad index (GI, calculated from gonad diameter) occurred for most gonad development stages. However, differences in mean GI between maturation stages were confounded by phenotypic variability, indicating that GI may be limited to population level studies. Nevertheless, ultrasound images of ovaries at each development stage were visually distinctive and enabled qualitative evaluations of maturity, thereby complementing quantitative GI assessments. Repeated serial-monitoring of the same population using ultrasound appears to have great potential for tracking maturation-induced changes in broodfish.