Cardiovascular magnetic resonance imaging techniques for motion-suppressed multi-dimensional coronary artery imaging with high spatial and temporal resolution

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) peut fournir aux cardiologues des informations diagnostiques importantes sur l'état de la maladie de l'artère coronarienne dans les patients. Le défi majeur pour l'IRM cardiaque est de gérer toutes les sources de mouvement qui peuvent affecter la qualité des images en réduisant l'information diagnostique. Cette thèse a donc comme but de développer des nouvelles techniques d'acquisitions des images IRM, en changeant les techniques de compensation du mouvement, pour en augmenter l'efficacité, la flexibilité, la robustesse et pour obtenir plus d'information sur le tissu et plus d'information temporelle. Les techniques proposées favorisent donc l'avancement de l'imagerie des coronaires dans une direction plus maniable et multi-usage qui peut facilement être transférée dans l'environnement clinique. La première partie de la thèse s'est concentrée sur l'étude du mouvement des artères coronariennes sur des patients en utilisant la techniques d'imagerie standard (rayons x), pour mesurer la précision avec laquelle les artères coronariennes retournent dans la même position battement après battement (repositionnement des coronaires). Nous avons découvert qu'il y a des intervalles dans le cycle cardiaque, tôt dans la systole et à moitié de la diastole, où le repositionnement des coronaires est au minimum. En réponse nous avons développé une nouvelle séquence d'acquisition (T2-post) capable d'acquérir les données aussi tôt dans la systole. Cette séquence a été testée sur des volontaires sains et on a pu constater que la qualité de visualisation des artère coronariennes est égale à celle obtenue avec les techniques standard. De plus, le rapport signal sur bruit fourni par la séquence d'acquisition proposée est supérieur à celui obtenu avec les techniques d'imagerie standard. La deuxième partie de la thèse a exploré un paradigme d'acquisition des images cardiaques complètement nouveau pour l'imagerie du coeur entier. La technique proposée dans ce travail acquiert les données sans arrêt (free-running) au lieu d'être synchronisée avec le mouvement cardiaque. De cette façon, l'efficacité de la séquence d'acquisition est augmentée de manière significative et les images produites représentent le coeur entier dans toutes les phases cardiaques (quatre dimensions, 4D). Par ailleurs, l'auto-navigation de la respiration permet d'effectuer cette acquisition en respiration libre. Cette technologie rend possible de visualiser et évaluer l'anatomie du coeur et de ses vaisseaux ainsi que la fonction cardiaque en quatre dimensions et avec une très haute résolution spatiale et temporelle, sans la nécessité d'injecter un moyen de contraste. Le pas essentiel qui a permis le développement de cette technique est l'utilisation d'une trajectoire d'acquisition radiale 3D basée sur l'angle d'or. Avec cette trajectoire, il est possible d'acquérir continûment les données d'espace k, puis de réordonner les données et choisir les paramètres temporel des images 4D a posteriori. L'acquisition 4D a été aussi couplée avec un algorithme de reconstructions itératif (compressed sensing) qui permet d'augmenter la résolution temporelle tout en augmentant la qualité des images. Grâce aux images 4D, il est possible maintenant de visualiser les artères coronariennes entières dans chaque phase du cycle cardiaque et, avec les mêmes données, de visualiser et mesurer la fonction cardiaque. La qualité des artères coronariennes dans les images 4D est la même que dans les images obtenues avec une acquisition 3D standard, acquise en diastole Par ailleurs, les valeurs de fonction cardiaque mesurées au moyen des images 4D concorde avec les valeurs obtenues avec les images 2D standard. Finalement, dans la dernière partie de la thèse une technique d'acquisition a temps d'écho ultra-court (UTE) a été développée pour la visualisation in vivo des calcifications des artères coronariennes. Des études récentes ont démontré que les acquisitions UTE permettent de visualiser les calcifications dans des plaques athérosclérotiques ex vivo. Cepandent le mouvement du coeur a entravé jusqu'à maintenant l'utilisation des techniques UTE in vivo. Pour résoudre ce problème nous avons développé une séquence d'acquisition UTE avec trajectoire radiale 3D et l'avons testée sur des volontaires. La technique proposée utilise une auto-navigation 3D pour corriger le mouvement respiratoire et est synchronisée avec l'ECG. Trois échos sont acquis pour extraire le signal de la calcification avec des composants au T2 très court tout en permettant de séparer le signal de la graisse depuis le signal de l'eau. Les résultats sont encore préliminaires mais on peut affirmer que la technique développé peut potentiellement montrer les calcifications des artères coronariennes in vivo. En conclusion, ce travail de thèse présente trois nouvelles techniques pour l'IRM du coeur entier capables d'améliorer la visualisation et la caractérisation de la maladie athérosclérotique des coronaires. Ces techniques fournissent des informations anatomiques et fonctionnelles en quatre dimensions et des informations sur la composition du tissu auparavant indisponibles. CORONARY artery magnetic resonance imaging (MRI) has the potential to provide the cardiologist with relevant diagnostic information relative to coronary artery disease of patients. The major challenge of cardiac MRI, though, is dealing with all sources of motions that can corrupt the images affecting the diagnostic information provided. The current thesis, thus, focused on the development of new MRI techniques that change the standard approach to cardiac motion compensation in order to increase the efficiency of cardioavscular MRI, to provide more flexibility and robustness, new temporal information and new tissue information. The proposed approaches help in advancing coronary magnetic resonance angiography (MRA) in the direction of an easy-to-use and multipurpose tool that can be translated to the clinical environment. The first part of the thesis focused on the study of coronary artery motion through gold standard imaging techniques (x-ray angiography) in patients, in order to measure the precision with which the coronary arteries assume the same position beat after beat (coronary artery repositioning). We learned that intervals with minimal coronary artery repositioning occur in peak systole and in mid diastole and we responded with a new pulse sequence (T2~post) that is able to provide peak-systolic imaging. Such a sequence was tested in healthy volunteers and, from the image quality comparison, we learned that the proposed approach provides coronary artery visualization and contrast-to-noise ratio (CNR) comparable with the standard acquisition approach, but with increased signal-to-noise ratio (SNR). The second part of the thesis explored a completely new paradigm for whole- heart cardiovascular MRI. The proposed techniques acquires the data continuously (free-running), instead of being triggered, thus increasing the efficiency of the acquisition and providing four dimensional images of the whole heart, while respiratory self navigation allows for the scan to be performed in free breathing. This enabling technology allows for anatomical and functional evaluation in four dimensions, with high spatial and temporal resolution and without the need for contrast agent injection. The enabling step is the use of a golden-angle based 3D radial trajectory, which allows for a continuous sampling of the k-space and a retrospective selection of the timing parameters of the reconstructed dataset. The free-running 4D acquisition was then combined with a compressed sensing reconstruction algorithm that further increases the temporal resolution of the 4D dataset, while at the same time increasing the overall image quality by removing undersampling artifacts. The obtained 4D images provide visualization of the whole coronary artery tree in each phases of the cardiac cycle and, at the same time, allow for the assessment of the cardiac function with a single free- breathing scan. The quality of the coronary arteries provided by the frames of the free-running 4D acquisition is in line with the one obtained with the standard ECG-triggered one, and the cardiac function evaluation matched the one measured with gold-standard stack of 2D cine approaches. Finally, the last part of the thesis focused on the development of ultrashort echo time (UTE) acquisition scheme for in vivo detection of calcification in the coronary arteries. Recent studies showed that UTE imaging allows for the coronary artery plaque calcification ex vivo, since it is able to detect the short T2 components of the calcification. The heart motion, though, prevented this technique from being applied in vivo. An ECG-triggered self-navigated 3D radial triple- echo UTE acquisition has then been developed and tested in healthy volunteers. The proposed sequence combines a 3D self-navigation approach with a 3D radial UTE acquisition enabling data collection during free breathing. Three echoes are simultaneously acquired to extract the short T2 components of the calcification while a water and fat separation technique allows for proper visualization of the coronary arteries. Even though the results are still preliminary, the proposed sequence showed great potential for the in vivo visualization of coronary artery calcification. In conclusion, the thesis presents three novel MRI approaches aimed at improved characterization and assessment of atherosclerotic coronary artery disease. These approaches provide new anatomical and functional information in four dimensions, and support tissue characterization for coronary artery plaques.

Analyse systématique des faux documents d'identité à des fins de renseignement criminel: vers la construction de connaissances sur la criminalité par l'étude de la trace matérielle

Détecter et comprendre les formes de criminalité, notamment organisées, qui sont impliquées dans la fabrication, la diffusion et/ou l'utilisation de faux documents d'identité est un enjeu complexe et persistant, mais est une nécessité pour soutenir l'action de la sécurité et l'étude des phénomènes criminels. A cet égard, il est postulé qu'une approche traçologique s'appuyant sur un profilage systématique des caractéristiques matérielles des faux documents d'identité peut fournir des renseignements criminels originaux, utiles et pertinents. Une méthode générale a été développée pour extraire, mémoriser et comparer systématiquement les profils des faux documents d'identité saisis par les acteurs de la sécurité. Cette méthode permet de détecter et de suivre les relations entre cas, les tendances et patterns criminels, dont l'interprétation au travers de différentes formes d'analyse permet la mise en évidence de potentiels groupes criminels, d'auteurs prolifiques et de <i>modus operandi</i> récurrents. Par l'étude de centaines de faux documents d'identité saisis par la police et les garde-frontière dans deux pays distincts, cet article démontre comment le renseignement forensique peut soutenir la génération et l'étude d'hypothèses sur la criminalité, aidant par-là la compréhension des marchés et réseaux criminels sur les plans stratégique, opérationnel et tactique. L'article illustre également comment le renseignement forensique peut soutenir des mesures préventives et peut contribuer à l'analyse des risques que posent les faux documents d'identité, voire à la remise en cause de la stratégie sécuritaire et de contrôle actuelle. L'approche proposée présente un carctère essentiellement générique puisque, à l'instar de l'exemple des faux documents d'identité, n'importe quel type de trace matérielle peut être traité systématiquement et scientifiquement de sorte à contribuer à la construction structurée de connaissances sur la criminalité et la sécurité.

Etude de la composition initiale et du vieillissement des traces digitales: vers le développement d'une méthode de datation?

«Quel est l'âge de cette trace digitale?» Cette question est relativement souvent soulevée au tribunal ou lors d'investigations, lorsque la personne suspectée admet avoir laissé ses empreintes digitales sur une scène de crime mais prétend l'avoir fait à un autre moment que celui du crime et pour une raison innocente. Toutefois, aucune réponse ne peut actuellement être donnée à cette question, puisqu'aucune méthodologie n'est pour l'heure validée et acceptée par l'ensemble de la communauté forensique. Néanmoins, l'inventaire de cas américains conduit dans cette recherche a montré que les experts fournissent tout de même des témoignages au tribunal concernant l'âge de traces digitales, même si ceux-­‐ci sont majoritairement basés sur des paramètres subjectifs et mal documentés. Il a été relativement aisé d'accéder à des cas américains détaillés, ce qui explique le choix de l'exemple. Toutefois, la problématique de la datation des traces digitales est rencontrée dans le monde entier, et le manque de consensus actuel dans les réponses données souligne la nécessité d'effectuer des études sur le sujet. Le but de la présente recherche est donc d'évaluer la possibilité de développer une méthode de datation objective des traces digitales. Comme les questions entourant la mise au point d'une telle procédure ne sont pas nouvelles, différentes tentatives ont déjà été décrites dans la littérature. Cette recherche les a étudiées de manière critique, et souligne que la plupart des méthodologies reportées souffrent de limitations prévenant leur utilisation pratique. Néanmoins, certaines approches basées sur l'évolution dans le temps de composés intrinsèques aux résidus papillaires se sont montrées prometteuses. Ainsi, un recensement détaillé de la littérature a été conduit afin d'identifier les composés présents dans les traces digitales et les techniques analytiques capables de les détecter. Le choix a été fait de se concentrer sur les composés sébacés détectés par chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC/MS) ou par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. Des analyses GC/MS ont été menées afin de caractériser la variabilité initiale de lipides cibles au sein des traces digitales d'un même donneur (intra-­‐variabilité) et entre les traces digitales de donneurs différents (inter-­‐variabilité). Ainsi, plusieurs molécules ont été identifiées et quantifiées pour la première fois dans les résidus papillaires. De plus, il a été déterminé que l'intra-­‐variabilité des résidus était significativement plus basse que l'inter-­‐variabilité, mais que ces deux types de variabilité pouvaient être réduits en utilisant différents pré-­‐ traitements statistiques s'inspirant du domaine du profilage de produits stupéfiants. Il a également été possible de proposer un modèle objectif de classification des donneurs permettant de les regrouper dans deux classes principales en se basant sur la composition initiale de leurs traces digitales. Ces classes correspondent à ce qui est actuellement appelé de manière relativement subjective des « bons » ou « mauvais » donneurs. Le potentiel d'un tel modèle est élevé dans le domaine de la recherche en traces digitales, puisqu'il permet de sélectionner des donneurs représentatifs selon les composés d'intérêt. En utilisant la GC/MS et la FTIR, une étude détaillée a été conduite sur les effets de différents facteurs d'influence sur la composition initiale et le vieillissement de molécules lipidiques au sein des traces digitales. Il a ainsi été déterminé que des modèles univariés et multivariés pouvaient être construits pour décrire le vieillissement des composés cibles (transformés en paramètres de vieillissement par pré-­‐traitement), mais que certains facteurs d'influence affectaient ces modèles plus sérieusement que d'autres. En effet, le donneur, le substrat et l'application de techniques de révélation semblent empêcher la construction de modèles reproductibles. Les autres facteurs testés (moment de déposition, pression, température et illumination) influencent également les résidus et leur vieillissement, mais des modèles combinant différentes valeurs de ces facteurs ont tout de même prouvé leur robustesse dans des situations bien définies. De plus, des traces digitales-­‐tests ont été analysées par GC/MS afin d'être datées en utilisant certains des modèles construits. Il s'est avéré que des estimations correctes étaient obtenues pour plus de 60 % des traces-­‐tests datées, et jusqu'à 100% lorsque les conditions de stockage étaient connues. Ces résultats sont intéressants mais il est impératif de conduire des recherches supplémentaires afin d'évaluer les possibilités d'application de ces modèles dans des cas réels. Dans une perspective plus fondamentale, une étude pilote a également été effectuée sur l'utilisation de la spectroscopie infrarouge combinée à l'imagerie chimique (FTIR-­‐CI) afin d'obtenir des informations quant à la composition et au vieillissement des traces digitales. Plus précisément, la capacité de cette technique à mettre en évidence le vieillissement et l'effet de certains facteurs d'influence sur de larges zones de traces digitales a été investiguée. Cette information a ensuite été comparée avec celle obtenue par les spectres FTIR simples. Il en a ainsi résulté que la FTIR-­‐CI était un outil puissant, mais que son utilisation dans l'étude des résidus papillaires à des buts forensiques avait des limites. En effet, dans cette recherche, cette technique n'a pas permis d'obtenir des informations supplémentaires par rapport aux spectres FTIR traditionnels et a également montré des désavantages majeurs, à savoir de longs temps d'analyse et de traitement, particulièrement lorsque de larges zones de traces digitales doivent être couvertes. Finalement, les résultats obtenus dans ce travail ont permis la proposition et discussion d'une approche pragmatique afin d'aborder les questions de datation des traces digitales. Cette approche permet ainsi d'identifier quel type d'information le scientifique serait capable d'apporter aux enquêteurs et/ou au tribunal à l'heure actuelle. De plus, le canevas proposé décrit également les différentes étapes itératives de développement qui devraient être suivies par la recherche afin de parvenir à la validation d'une méthodologie de datation des traces digitales objective, dont les capacités et limites sont connues et documentées. -- "How old is this fingermark?" This question is relatively often raised in trials when suspects admit that they have left their fingermarks on a crime scene but allege that the contact occurred at a time different to that of the crime and for legitimate reasons. However, no answer can be given to this question so far, because no fingermark dating methodology has been validated and accepted by the whole forensic community. Nevertheless, the review of past American cases highlighted that experts actually gave/give testimonies in courts about the age of fingermarks, even if mostly based on subjective and badly documented parameters. It was relatively easy to access fully described American cases, thus explaining the origin of the given examples. However, fingermark dating issues are encountered worldwide, and the lack of consensus among the given answers highlights the necessity to conduct research on the subject. The present work thus aims at studying the possibility to develop an objective fingermark dating method. As the questions surrounding the development of dating procedures are not new, different attempts were already described in the literature. This research proposes a critical review of these attempts and highlights that most of the reported methodologies still suffer from limitations preventing their use in actual practice. Nevertheless, some approaches based on the evolution of intrinsic compounds detected in fingermark residue over time appear to be promising. Thus, an exhaustive review of the literature was conducted in order to identify the compounds available in the fingermark residue and the analytical techniques capable of analysing them. It was chosen to concentrate on sebaceous compounds analysed using gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC/MS) or Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). GC/MS analyses were conducted in order to characterize the initial variability of target lipids among fresh fingermarks of the same donor (intra-­‐variability) and between fingermarks of different donors (inter-­‐variability). As a result, many molecules were identified and quantified for the first time in fingermark residue. Furthermore, it was determined that the intra-­‐variability of the fingermark residue was significantly lower than the inter-­‐variability, but that it was possible to reduce both kind of variability using different statistical pre-­‐ treatments inspired from the drug profiling area. It was also possible to propose an objective donor classification model allowing the grouping of donors in two main classes based on their initial lipid composition. These classes correspond to what is relatively subjectively called "good" or "bad" donors. The potential of such a model is high for the fingermark research field, as it allows the selection of representative donors based on compounds of interest. Using GC/MS and FTIR, an in-­‐depth study of the effects of different influence factors on the initial composition and aging of target lipid molecules found in fingermark residue was conducted. It was determined that univariate and multivariate models could be build to describe the aging of target compounds (transformed in aging parameters through pre-­‐ processing techniques), but that some influence factors were affecting these models more than others. In fact, the donor, the substrate and the application of enhancement techniques seemed to hinder the construction of reproducible models. The other tested factors (deposition moment, pressure, temperature and illumination) also affected the residue and their aging, but models combining different values of these factors still proved to be robust. Furthermore, test-­‐fingermarks were analysed with GC/MS in order to be dated using some of the generated models. It turned out that correct estimations were obtained for 60% of the dated test-­‐fingermarks and until 100% when the storage conditions were known. These results are interesting but further research should be conducted to evaluate if these models could be used in uncontrolled casework conditions. In a more fundamental perspective, a pilot study was also conducted on the use of infrared spectroscopy combined with chemical imaging in order to gain information about the fingermark composition and aging. More precisely, its ability to highlight influence factors and aging effects over large areas of fingermarks was investigated. This information was then compared with that given by individual FTIR spectra. It was concluded that while FTIR-­‐ CI is a powerful tool, its use to study natural fingermark residue for forensic purposes has to be carefully considered. In fact, in this study, this technique does not yield more information on residue distribution than traditional FTIR spectra and also suffers from major drawbacks, such as long analysis and processing time, particularly when large fingermark areas need to be covered. Finally, the results obtained in this research allowed the proposition and discussion of a formal and pragmatic framework to approach the fingermark dating questions. It allows identifying which type of information the scientist would be able to bring so far to investigators and/or Justice. Furthermore, this proposed framework also describes the different iterative development steps that the research should follow in order to achieve the validation of an objective fingermark dating methodology, whose capacities and limits are well known and properly documented.

Diagnosis of endocrine disease: High-yield thyroid fine-needle aspiration cytology: an update focused on ancillary techniques improving its accuracy.

Thyroid fine-needle aspiration (FNA) cytology is a fast growing field. One of the most developing areas is represented by molecular tests applied to cytological material. Patients that could benefit the most from these tests are those that have been diagnosed as 'indeterminate' on FNA. They could be better stratified in terms of malignancy risk and thus oriented with more confidence to the appropriate management. Taking in to consideration the need to improve and keep high the yield of thyroid FNA, professionals from various fields (i.e. molecular biologists, endocrinologists, nuclear medicine physicians and radiologists) are refining and fine-tuning their diagnostic instruments. In particular, all these developments aim at increasing the negative predictive value of FNA to improve the selection of patients for diagnostic surgery. These advances involve terminology, the application of next-generation sequencing to thyroid FNA, the use of immunocyto- and histo-chemistry, the development of new sampling techniques and the increasing use of nuclear medicine as well as molecular imaging in the management of patients with a thyroid nodule. Herein, we review the recent advances in thyroid FNA cytology that could be of interest to the 'thyroid-care' community, with particular focus on the indeterminate diagnostic category.

Optimization of Radiation Dose and Image Quality in Musculoskeletal CT: Emphasis on Iterative Reconstruction Techniques (Part 1).

Computed tomography (CT) is a modality of choice for the study of the musculoskeletal system for various indications including the study of bone, calcifications, internal derangements of joints (with CT arthrography), as well as periprosthetic complications. However, CT remains intrinsically limited by the fact that it exposes patients to ionizing radiation. Scanning protocols need to be optimized to achieve diagnostic image quality at the lowest radiation dose possible. In this optimization process, the radiologist needs to be familiar with the parameters used to quantify radiation dose and image quality. CT imaging of the musculoskeletal system has certain specificities including the focus on high-contrast objects (i.e., in CT of bone or CT arthrography). These characteristics need to be taken into account when defining a strategy to optimize dose and when choosing the best combination of scanning parameters. In the first part of this review, we present the parameters used for the evaluation and quantification of radiation dose and image quality. In the second part, we discuss different strategies to optimize radiation dose and image quality at CT, with a focus on the musculoskeletal system and the use of novel iterative reconstruction techniques.

Fat Suppression with Dixon Techniques in Musculoskeletal Magnetic Resonance Imaging: A Pictorial Review.

Dixon techniques are part of the methods used to suppress the signal of fat in MRI. They present many advantages compared with other fat suppression techniques including (1) the robustness of fat signal suppression, (2) the possibility to combine these techniques with all types of sequences (gradient echo, spin echo) and different weightings (T1-, T2-, proton density-, intermediate-weighted sequences), and (3) the availability of images both with and without fat suppression from one single acquisition. These advantages have opened many applications in musculoskeletal imaging. We first review the technical aspects of Dixon techniques including their advantages and disadvantages. We then illustrate their applications for the imaging of different body parts, as well as for tumors, neuromuscular disorders, and the imaging of metallic hardware.

Optimization of Radiation Dose and Image Quality in Musculoskeletal CT: Emphasis on Iterative Reconstruction Techniques (Part 2).

Computed tomography (CT) is a modality of choice for the study of the musculoskeletal system for various indications including the study of bone, calcifications, internal derangements of joints (with CT arthrography), as well as periprosthetic complications. However, CT remains intrinsically limited by the fact that it exposes patients to ionizing radiation. Scanning protocols need to be optimized to achieve diagnostic image quality at the lowest radiation dose possible. In this optimization process, the radiologist needs to be familiar with the parameters used to quantify radiation dose and image quality. CT imaging of the musculoskeletal system has certain specificities including the focus on high-contrast objects (i.e., in CT of bone or CT arthrography). These characteristics need to be taken into account when defining a strategy to optimize dose and when choosing the best combination of scanning parameters. In the first part of this review, we present the parameters used for the evaluation and quantification of radiation dose and image quality. In the second part, we discuss different strategies to optimize radiation dose and image quality of CT, with a focus on the musculoskeletal system and the use of novel iterative reconstruction techniques.

To analyse a trace or not? Evaluating the decision-making process in the criminal investigation

In order to broaden our knowledge and understanding of the decision steps in the criminal investigation process, we started by evaluating the decision to analyse a trace and the factors involved in this decision step. This decision step is embedded in the complete criminal investigation process, involving multiple decision and triaging steps. Considering robbery cases occurring in a geographic region during a 2-year-period, we have studied the factors influencing the decision to submit biological traces, directly sampled on the scene of the robbery or on collected objects, for analysis. The factors were categorised into five knowledge dimensions: strategic, immediate, physical, criminal and utility and decision tree analysis was carried out. Factors in each category played a role in the decision to analyse a biological trace. Interestingly, factors involving information available prior to the analysis are of importance, such as the fact that a positive result (a profile suitable for comparison) is already available in the case, or that a suspect has been identified through traditional police work before analysis. One factor that was taken into account, but was not significant, is the matrix of the trace. Hence, the decision to analyse a trace is not influenced by this variable. The decision to analyse a trace first is very complex and many of the tested variables were taken into account. The decisions are often made on a case-by-case basis.