Detection, analysis and monitoring of slope movements by high-resolution digital elevation models

Summary Detection, analysis and monitoring of slope movements by high-resolution digital elevation modelsSlope movements, such as rockfalls, rockslides, shallow landslides or debris flows, are frequent in many mountainous areas. These natural hazards endanger the inhabitants and infrastructures making it necessary to assess the hazard and risk caused by these phenomena. This PhD thesis explores various approaches using digital elevation models (DEMs) - and particularly high-resolution DEMs created by aerial or terrestrial laser scanning (TLS) - that contribute to the assessment of slope movement hazard at regional and local scales.The regional detection of areas prone to rockfalls and large rockslides uses different morphologic criteria or geometric instability factors derived from DEMs, i.e. the steepness of the slope, the presence of discontinuities, which enable a sliding mechanism, and the denudation potential. The combination of these factors leads to a map of susceptibility to rockfall initiation that is in good agreement with field studies as shown with the example of the Little Mill Campground area (Utah, USA). Another case study in the Illgraben catchment in the Swiss Alps highlighted the link between areas with a high denudation potential and actual rockfall areas.Techniques for a detailed analysis and characterization of slope movements based on high-resolution DEMs have been developed for specific, localized sites, i.e. ancient slide scars, present active instabilities or potential slope instabilities. The analysis of the site's characteristics mainly focuses on rock slopes and includes structural analyses (orientation of discontinuities); estimation of spacing, persistence and roughness of discontinuities; failure mechanisms based on the structural setting; and volume calculations. For the volume estimation a new 3D approach was tested to reconstruct the topography before a landslide or to construct the basal failure surface of an active or potential instability. The rockslides at Åknes, Tafjord and Rundefjellet in western Norway were principally used as study sites to develop and test the different techniques.The monitoring of slope instabilities investigated in this PhD thesis is essentially based on multitemporal (or sequential) high-resolution DEMs, in particular sequential point clouds acquired by TLS. The changes in the topography due to slope movements can be detected and quantified by sequential TLS datasets, notably by shortest distance comparisons revealing the 3D slope movements over the entire region of interest. A detailed analysis of rock slope movements is based on the affine transformation between an initial and a final state of the rock mass and its decomposition into translational and rotational movements. Monitoring using TLS was very successful on the fast-moving Eiger rockslide in the Swiss Alps, but also on the active rockslides of Åknes and Nordnesfjellet (northern Norway). One of the main achievements on the Eiger and Aknes rockslides is to combine the site's morphology and structural setting with the measured slope movements to produce coherent instability models. Both case studies also highlighted a strong control of the structures in the rock mass on the sliding directions. TLS was also used to monitor slope movements in soils, such as landslides in sensitive clays in Québec (Canada), shallow landslides on river banks (Sorge River, Switzerland) and a debris flow channel (Illgraben).The PhD thesis underlines the broad uses of high-resolution DEMs and especially of TLS in the detection, analysis and monitoring of slope movements. Future studies should explore in more depth the different techniques and approaches developed and used in this PhD, improve them and better integrate the findings in current hazard assessment practices and in slope stability models.Résumé Détection, analyse et surveillance de mouvements de versant à l'aide de modèles numériques de terrain de haute résolutionDes mouvements de versant, tels que des chutes de blocs, glissements de terrain ou laves torrentielles, sont fréquents dans des régions montagneuses et mettent en danger les habitants et les infrastructures ce qui rend nécessaire d'évaluer le danger et le risque causé par ces phénomènes naturels. Ce travail de thèse explore diverses approches qui utilisent des modèles numériques de terrain (MNT) et surtout des MNT de haute résolution créés par scanner laser terrestre (SLT) ou aérien - et qui contribuent à l'évaluation du danger de mouvements de versant à l'échelle régionale et locale.La détection régionale de zones propices aux chutes de blocs ou aux éboulements utilise plusieurs critères morphologiques dérivés d'un MNT, tels que la pente, la présence de discontinuités qui permettent un mécanisme de glissement ou le potentiel de dénudation. La combinaison de ces facteurs d'instabilité mène vers une carte de susceptibilité aux chutes de blocs qui est en accord avec des travaux de terrain comme démontré avec l'exemple du Little Mill Campground (Utah, États-Unis). Un autre cas d'étude - l'Illgraben dans les Alpes valaisannes - a mis en évidence le lien entre les zones à fort potentiel de dénudation et les sources effectives de chutes de blocs et d'éboulements.Des techniques pour l'analyse et la caractérisation détaillée de mouvements de versant basées sur des MNT de haute résolution ont été développées pour des sites spécifiques et localisés, comme par exemple des cicatrices d'anciens éboulements et des instabilités actives ou potentielles. Cette analyse se focalise principalement sur des pentes rocheuses et comprend l'analyse structurale (orientation des discontinuités); l'estimation de l'espacement, la persistance et la rugosité des discontinuités; l'établissement des mécanismes de rupture; et le calcul de volumes. Pour cela une nouvelle approche a été testée en rétablissant la topographie antérieure au glissement ou en construisant la surface de rupture d'instabilités actuelles ou potentielles. Les glissements rocheux d'Åknes, Tafjord et Rundefjellet en Norvège ont été surtout utilisés comme cas d'étude pour développer et tester les diverses approches. La surveillance d'instabilités de versant effectuée dans cette thèse de doctorat est essentiellement basée sur des MNT de haute résolution multi-temporels (ou séquentiels), en particulier des nuages de points séquentiels acquis par SLT. Les changements topographiques dus aux mouvements de versant peuvent être détectés et quantifiés sur l'ensemble d'un glissement, notamment par comparaisons des distances les plus courtes entre deux nuages de points. L'analyse détaillée des mouvements est basée sur la transformation affine entre la position initiale et finale d'un bloc et sa décomposition en mouvements translationnels et rotationnels. La surveillance par SLT a démontré son potentiel avec l'effondrement d'un pan de l'Eiger dans les Alpes suisses, mais aussi aux glissements rocheux d'Aknes et Nordnesfjellet en Norvège. Une des principales avancées à l'Eiger et à Aknes est la création de modèles d'instabilité cohérents en combinant la morphologie et l'agencement structural des sites avec les mesures de déplacements. Ces deux cas d'étude ont aussi démontré le fort contrôle des structures existantes dans le massif rocheux sur les directions de glissement. Le SLT a également été utilisé pour surveiller des glissements dans des terrains meubles comme dans les argiles sensibles au Québec (Canada), sur les berges de la rivière Sorge en Suisse et dans le chenal à laves torrentielles de l'Illgraben.Cette thèse de doctorat souligne le vaste champ d'applications des MNT de haute résolution et particulièrement du SLT dans la détection, l'analyse et la surveillance des mouvements de versant. Des études futures devraient explorer plus en profondeur les différentes techniques et approches développées, les améliorer et mieux les intégrer dans des pratiques actuelles d'analyse de danger et surtout dans la modélisation de stabilité des versants.

Brain Connectivity Analysis in Children. Effects of Prematurity. and Prenatal Growth Restriction

Introduction: Survival of children born prematurely or with very low birth weight has increased dramatically, but the long term developmental outcome remains unknown. Many children have deficits in cognitive capacities, in particular involving executive domains and those disabilities are likely to involve a central nervous system deficit. To understand their neurostructural origin, we use DTI. Structurally segregated and functionally regions of the cerebral cortex are interconnected by a dense network of axonal pathways. We noninvasively map these pathways across cortical hemispheres and construct normalized structural connection matrices derived from DTI MR tractography. Group comparisons of brain connectivity reveal significant changes in fiber density in case of children with poor intrauterine grown and extremely premature children (gestational age<28 weeks at birth) compared to control subjects. This changes suggest a link between cortico-axonal pathways and the central nervous system deficit. Methods: Sixty premature born infants (5-6 years old) were scanned on clinical 3T scanner (Magnetom Trio, Siemens Medical Solutions, Erlangen, Germany) at two hospitals (HUG, Geneva and CHUV, Lausanne). For each subject, T1-weighted MPRAGE images (TR/TE=2500/2.91,TI=1100, resolution=1x1x1mm, matrix=256x154) and DTI images (30 directions, TR/TE=10200/107, in-plane resolution=1.8x1.8x2mm, 64 axial, matrix=112x112) were acquired. Parent(s) provided written consent on prior ethical board approval. The extraction of the Whole Brain Structural Connectivity Matrix was performed following (Cammoun, 2009 and Hagmann, 2008). The MPARGE images were registered using an affine registration to the non-weighted-DTI and WM-GM segmentation performed on it. In order to have equal anatomical localization among subjects, 66 cortical regions with anatomical landmarks were created using the curvature information, i.e. sulcus and gyrus (Cammoun et al, 2007; Fischl et al, 2004; Desikan et al, 2006) with freesurfer software (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/). Tractography was performed in WM using an algorithm especially designed for DTI/DSI data (Hagmann et al., 2007) and both information were then combined in a matrix. Each row and column of the matrix corresponds to a particular ROI. Each cell of index (i,j) represents the fiber density of the bundle connecting the ROIs i and j. Subdividing each cortical region, we obtained 4 Connectivity Matrices of different resolution (33, 66, 125 and 250 ROI/hemisphere) for each subject . Subjects were sorted in 3 different groups, namely (1) control, (2) Intrauterine Growth Restriction (IUGR), (3) Extreme Prematurity (EP), depending on their gestational age, weight and percentile-weight score at birth. Group-to-group comparisons were performed between groups (1)-(2) and (1)-(3). The mean age at examination of the three groups were similar. Results: Quantitative analysis were performed between groups to determine fibers density differences. For each group, a mean connectivity matrix with 33ROI/hemisphere resolution was computed. On the other hand, for all matrix resolutions (33,66,125,250 ROI/hemisphere), the number of bundles were computed and averaged. As seen in figure 1, EP and IUGR subjects present an overall reduction of fibers density in both interhemispherical and intrahemispherical connections. This is given quantitatively in table 1. IUGR subjects presents a higher percentage of missing fiber bundles than EP when compared to control subjects (~16% against 11%). When comparing both groups to control subjects, for the EP subjects, the occipito-parietal regions seem less interhemispherically connected whilst the intrahemispherical networks present lack of fiber density in the lymbic system. Children born with IUGR, have similar reductions in interhemispherical connections than the EP. However, the cuneus and precuneus connections with the precentral and paracentral lobe are even lower than in the case of the EP. For the intrahemispherical connections the IUGR group preset a loss of fiber density between the deep gray matter structures (striatum) and the frontal and middlefrontal poles, connections typically involved in the control of executive functions. For the qualitative analysis, a t-test comparing number of bundles (p-value<0.05) gave some preliminary significant results (figure 2). Again, even if both IUGR and EP appear to have significantly less connections comparing to the control subjects, the IUGR cohort seems to present a higher lack of fiber density specially relying the cuneus, precuneus and parietal areas. In terms of fiber density, preliminary Wilcoxon tests seem to validate the hypothesis set by the previous analysis. Conclusions: The goal of this study was to determine the effect of extreme prematurity and poor intrauterine growth on neurostructural development at the age of 6 years-old. This data indicates that differences in connectivity may well be the basis for the neurostructural and neuropsychological deficit described in these populations in the absence of overt brain lesions (Inder TE, 2005; Borradori-Tolsa, 2004; Dubois, 2008). Indeed, we suggest that IUGR and prematurity leads to alteration of connectivity between brain structures, especially in occipito-parietal and frontal lobes for EP and frontal and middletemporal poles for IUGR. Overall, IUGR children have a higher loss of connectivity in the overall connectivity matrix than EP children. In both cases, the localized alteration of connectivity suggests a direct link between cortico-axonal pathways and the central nervous system deficit. Our next step is to link these connectivity alterations to the performance in executive function tests.

Active Contour-Based Segmentation of Head and Neck with Adaptive Atlas Selection

This paper presents automated segmentation of structuresin the Head and Neck (H\&N) region, using an activecontour-based joint registration and segmentation model.A new atlas selection strategy is also used. Segmentationis performed based on the dense deformation fieldcomputed from the registration of selected structures inthe atlas image that have distinct boundaries, onto thepatient's image. This approach results in robustsegmentation of the structures of interest, even in thepresence of tumors, or anatomical differences between theatlas and the patient image. For each patient, an atlasimage is selected from the available atlas-database,based on the similarity metric value, computed afterperforming an affine registration between each image inthe atlas-database and the patient's image. Unlike manyof the previous approaches in the literature, thesimilarity metric is not computed over the entire imageregion; rather, it is computed only in the regions ofsoft tissue structures to be segmented. Qualitative andquantitative evaluation of the results is presented.

Hippocampal atrophy predicts conversion to dementia after STN-DBS in Parkinson's disease.

BACKGROUND: Hippocampal atrophy (HA) is a known predictor of dementia in Alzheimer's disease. HA has been found in advanced Parkinson's disease (PD), but no predicting value has been demonstrated yet. The identification of such a predictor in candidates for subthalamic deep brain stimulation (STN-DBS) would be of value. Our objective was to compare preoperative hippocampal volumes (HV) between PD patients who subsequently converted to dementia (PDD) after STN-DBS and those who did not (PDnD). METHODS: From a cohort of 70 consecutive STN-DBS treated PD patients, 14 converted to dementia over 25.6+/-20.2 months (PDD). They were compared to 14 matched controls (PDnD) who did not convert to dementia after 43.9+/-11.7 months. On the preoperative 3D MPRAGE MRI images, HV and total brain volumes (TBV) were measured by a blinded investigator using manual and automatic segmentation respectively. RESULTS: PDD had smaller preoperative HV than PDnD (1.95+/-0.29 ml; 2.28+/-0.33 ml; p<0.01). This difference reinforced after normalization for TBV (3.28+/-0.48, 3.93+/-0.60; p<0.01). Every 0.1 ml decrease of HV increased the likelihood to develop dementia by 24.6%. A large overlap was found between PD and PDnD HVs, precluding the identification of a cut-off score. CONCLUSIONS: As in Alzheimer's disease, HA may be a predictor of the conversion to dementia in PD. This preoperative predictor suggests that the development of dementia after STN-DBS is related to the disease progression, rather then the procedure. Further studies are needed to define a cut-off score for HA, in order to affine its predictive value for an individual patient.

Quelle perception ont les médecins de famille en Suisse de leur rôle dans la prévention et la promotion de la santé? : comprendre les barrières à l'implémentation

Introduction: The importance of health promotion and prevention and the potential of general practitioners (GPs) to conduct individual prevention procedures have been demonstrated in several studies. Clinical recommendations for screening and prevention activities, an important condition for success, are published regularly, but their implementation into daily practice does not necessarily follow. Information is lacking about the actual conditions of how prevention is carried out on a daily basis by Swiss GPs, about their perceptions and needs, their attitudes and the present barriers they face. Such information is essential for the development of new tools and programs targeting better implementation of clinical recommendations for prevention in primary care in Switzerland. Objectives: The objectives of the study were to analyze how Swiss GPs perceive their role in prevention by obtaining information regarding the following issues: What do disease prevention and health promotion mean to them? What are the current incentives and barriers they face? What are their ideas and suggestions to deal with these barriers? What are their needs and expectations regarding prevention guidelines and tools? Methods: We conducted a qualitative research project using focus groups to examine the questions mentioned above. A total of 13 focus groups took place including GPs from eight cantons: five groups in German- speaking Switzerland and eight in French- speaking Switzerland. Each group was composed of 4-11 GPs, making in total 102 participants, who were paid expenses to cover their participation. The sessions were audio-recorded and transcribed verbatim. Data analysis: Content analysis of the transcriptions began by classifying the data according to a typology, the first level of which was developed in line with the structure of the interview guide. This typology was extended by successively regrouping similar statements. Synopsis and interpretation was then performed on each category thus obtained. This research report is based on the results from the French-speaking cantons. Results: Physicians perceive a change in their role as a consequence of changes in society and the health system. They emphasize the importance of a personalized and long lasting relationship between the family doctor and his/her patient; a privileged position allowing them to perform individualized prevention activities, considered to be more effective, as they are appropriate to the specific situation and needs of the patient. They point out their need for training and for better information concerning prevention and health promotion interventions, and stress difficulties arising from the lack of a clear political signal conferring them with a mandate for prevention. -- INTRODUCTION L'importance de la prévention et de la promotion de la santé et le potentiel des médecins de famillea à mettre en oeuvre des mesures individuelles de prévention, de dépistage et de conseils, a été démontrée dans plusieurs études. Régulièrement durant les dernières années, de nombreuses associations médicales ont publié des recommandations cliniques concernant les activités de dépistage et de prévention qui sont une condition essentielle pour le succès, mais ne sont pas forcément appliquées de manière systématique dans la pratique médicale quotidienne. Des contraintes spécifiques contribuent à l'écart entre le désir des médecins de pratiquer une médecine préventive et la réalité d'un cabinet médical. Nous n'avons que peu de données sur les conditions actuelles dans lesquelles la prévention et la promotion de la santé sont réalisées par les médecins de famille suisses dans leur travail quotidien. Des informations précises et représentatives sur leurs perceptions et leurs besoins, leurs attitudes et les contraintes auxquelles ils sont confrontés manquent. Or ces données sont essentielles dans le développement de nouveaux outils et programmes visant une meilleure implémentation des recommandations cliniques dans le domaine de la prévention et la promotion de la santé dans la médecine de famille en Suisse. OBJECTIFS Le développement de concepts pour une prévention systématique ainsi que d'outils adéquats, tout comme l'amélioration des conditions qui permettent une implémentation à grande échelle, implique, avant tout, l'analyse de la perception que les médecins de famille suisses ont de leur rôle dans la prévention. Par conséquent, cette étude a eu pour objectif d'obtenir des informations concernant les questions suivantes : ? Que signifient la prévention et la promotion de la santé pour les médecins de famille suisses ? ? Quelles sont leurs incitations et les barrières rencontrées ? ? Quelles sont leurs idées et leurs suggestions pour faire face à ces contraintes ? ? Quels sont leurs besoins et leurs attentes concernant les outils pour la prévention ? METHODES Nous avons mené un projet de recherche qualitative en utilisant la technique des focus groups pour examiner les questions mentionnées ci-dessus. Une telle technique de collecte de données est particulièrement adaptée à un domaine où l'on connaît mal les perceptions des parties prenantes. Nous avons mené 13 focus groups au total, comprenant des médecins issus de huit cantons: cinq groupes ont eu lieu en Suisse alémanique et huit groupes en Suisse romande. Chaque groupe était composé de 4 à 11 médecins de famille, avec au total 102 participants qui ont été défrayés pour leur participation. Les séances ont été audio-enregistrées et transcrites. ANALYSE DES DONNEES L'analyse du contenu des transcriptions a commencé par la classification des données selon une typologie dont le premier niveau a été développé à partir de la structure de la grille d'entretiens. Cette typologie a été affinée et élargie en regroupant successivement des propos similaires. Une synthèse a été effectuée pour chaque catégorie. Ce rapport est basé sur les résultats de l'analyse des données des cantons francophones. RESULTATS Les médecins perçoivent un changement de leur rôle dans une société et dans un système de santé qui évoluent. Ils soulignent l'importance de la relation personnalisée et durable du médecin de famille avec son patient, atout précieux, qui leur permet de réaliser des activités de prévention individualisées et adaptées à la situation et aux besoins du patient, considérées plus efficaces. Afin de surmonter leur doutes et découragement par rapport aux interventions de prévention, ils pointent la nécessité d'une formation aux nouvelles connaissances en prévention et promotion de la santé et d'une meilleure information aux médecins quant à leur efficacité et importance. Ils montrent le besoin d'un signal clair des politiques par rapport à l'attribution de ce mandat aux médecins de famille et de leur reconnaissance en tant qu'acteur de prévention dans le système de santé.

Development of cardiovascular magnetic resonance imaging techniques for improved characterization of atherosclerotic disease

Atherosclerosis is a chronic cardiovascular disease that involves the thicken¬ing of the artery walls as well as the formation of plaques (lesions) causing the narrowing of the lumens, in vessels such as the aorta, the coronary and the carotid arteries. Magnetic resonance imaging (MRI) is a promising modality for the assessment of atherosclerosis, as it is a non-invasive and patient-friendly procedure that does not use ionizing radiation. MRI offers high soft tissue con¬trast already without the need of intravenous contrast media; while modifica¬tion of the MR pulse sequences allows for further adjustment of the contrast for specific diagnostic needs. As such, MRI can create angiographic images of the vessel lumens to assess stenoses at the late stage of the disease, as well as blood flow-suppressed images for the early investigation of the vessel wall and the characterization of the atherosclerotic plaques. However, despite the great technical progress that occurred over the past two decades, MRI is intrinsically a low sensitive technique and some limitations still exist in terms of accuracy and performance. A major challenge for coronary artery imaging is respiratory motion. State- of-the-art diaphragmatic navigators rely on an indirect measure of motion, per¬form a ID correction, and have long and unpredictable scan time. In response, self-navigation (SM) strategies have recently been introduced that offer 100% scan efficiency and increased ease of use. SN detects respiratory motion di¬rectly from the image data obtained at the level of the heart, and retrospectively corrects the same data before final image reconstruction. Thus, SN holds po-tential for multi-dimensional motion compensation. To this regard, this thesis presents novel SN methods that estimate 2D and 3D motion parameters from aliased sub-images that are obtained from the same raw data composing the final image. Combination of all corrected sub-images produces a final image with reduced motion artifacts for the visualization of the coronaries. The first study (section 2.2, 2D Self-Navigation with Compressed Sensing) consists of a method for 2D translational motion compensation. Here, the use of com- pressed sensing (CS) reconstruction is proposed and investigated to support motion detection by reducing aliasing artifacts. In healthy human subjects, CS demonstrated an improvement in motion detection accuracy with simula¬tions on in vivo data, while improved coronary artery visualization was demon¬strated on in vivo free-breathing acquisitions. However, the motion of the heart induced by respiration has been shown to occur in three dimensions and to be more complex than a simple translation. Therefore, the second study (section 2.3,3D Self-Navigation) consists of a method for 3D affine motion correction rather than 2D only. Here, different techniques were adopted to reduce background signal contribution in respiratory motion tracking, as this can be adversely affected by the static tissue that surrounds the heart. The proposed method demonstrated to improve conspicuity and vi¬sualization of coronary arteries in healthy and cardiovascular disease patient cohorts in comparison to a conventional ID SN method. In the third study (section 2.4, 3D Self-Navigation with Compressed Sensing), the same tracking methods were used to obtain sub-images sorted according to the respiratory position. Then, instead of motion correction, a compressed sensing reconstruction was performed on all sorted sub-image data. This process ex¬ploits the consistency of the sorted data to reduce aliasing artifacts such that the sub-image corresponding to the end-expiratory phase can directly be used to visualize the coronaries. In a healthy volunteer cohort, this strategy improved conspicuity and visualization of the coronary arteries when compared to a con¬ventional ID SN method. For the visualization of the vessel wall and atherosclerotic plaques, the state- of-the-art dual inversion recovery (DIR) technique is able to suppress the signal coming from flowing blood and provide positive wall-lumen contrast. How¬ever, optimal contrast may be difficult to obtain and is subject to RR variability. Furthermore, DIR imaging is time-inefficient and multislice acquisitions may lead to prolonged scanning times. In response and as a fourth study of this thesis (chapter 3, Vessel Wall MRI of the Carotid Arteries), a phase-sensitive DIR method has been implemented and tested in the carotid arteries of a healthy volunteer cohort. By exploiting the phase information of images acquired after DIR, the proposed phase-sensitive method enhances wall-lumen contrast while widens the window of opportunity for image acquisition. As a result, a 3-fold increase in volumetric coverage is obtained at no extra cost in scanning time, while image quality is improved. In conclusion, this thesis presented novel methods to address some of the main challenges for MRI of atherosclerosis: the suppression of motion and flow artifacts for improved visualization of vessel lumens, walls and plaques. Such methods showed to significantly improve image quality in human healthy sub¬jects, as well as scan efficiency and ease-of-use of MRI. Extensive validation is now warranted in patient populations to ascertain their diagnostic perfor¬mance. Eventually, these methods may bring the use of atherosclerosis MRI closer to the clinical practice. Résumé L'athérosclérose est une maladie cardiovasculaire chronique qui implique le épaississement de la paroi des artères, ainsi que la formation de plaques (lé¬sions) provoquant le rétrécissement des lumières, dans des vaisseaux tels que l'aorte, les coronaires et les artères carotides. L'imagerie par résonance magné¬tique (IRM) est une modalité prometteuse pour l'évaluation de l'athérosclérose, car il s'agit d'une procédure non-invasive et conviviale pour les patients, qui n'utilise pas des rayonnements ionisants. L'IRM offre un contraste des tissus mous très élevé sans avoir besoin de médias de contraste intraveineux, tan¬dis que la modification des séquences d'impulsions de RM permet en outre le réglage du contraste pour des besoins diagnostiques spécifiques. À ce titre, l'IRM peut créer des images angiographiques des lumières des vaisseaux pour évaluer les sténoses à la fin du stade de la maladie, ainsi que des images avec suppression du flux sanguin pour une première enquête des parois des vais¬seaux et une caractérisation des plaques d'athérosclérose. Cependant, malgré les grands progrès techniques qui ont eu lieu au cours des deux dernières dé¬cennies, l'IRM est une technique peu sensible et certaines limitations existent encore en termes de précision et de performance. Un des principaux défis pour l'imagerie de l'artère coronaire est le mou¬vement respiratoire. Les navigateurs diaphragmatiques de pointe comptent sur une mesure indirecte de mouvement, effectuent une correction 1D, et ont un temps d'acquisition long et imprévisible. En réponse, les stratégies d'auto- navigation (self-navigation: SN) ont été introduites récemment et offrent 100% d'efficacité d'acquisition et une meilleure facilité d'utilisation. Les SN détectent le mouvement respiratoire directement à partir des données brutes de l'image obtenue au niveau du coeur, et rétrospectivement corrigent ces mêmes données avant la reconstruction finale de l'image. Ainsi, les SN détiennent un poten¬tiel pour une compensation multidimensionnelle du mouvement. A cet égard, cette thèse présente de nouvelles méthodes SN qui estiment les paramètres de mouvement 2D et 3D à partir de sous-images qui sont obtenues à partir des mêmes données brutes qui composent l'image finale. La combinaison de toutes les sous-images corrigées produit une image finale pour la visualisation des coronaires ou les artefacts du mouvement sont réduits. La première étude (section 2.2,2D Self-Navigation with Compressed Sensing) traite d'une méthode pour une compensation 2D de mouvement de translation. Ici, on étudie l'utilisation de la reconstruction d'acquisition comprimée (compressed sensing: CS) pour soutenir la détection de mouvement en réduisant les artefacts de sous-échantillonnage. Chez des sujets humains sains, CS a démontré une amélioration de la précision de la détection de mouvement avec des simula¬tions sur des données in vivo, tandis que la visualisation de l'artère coronaire sur des acquisitions de respiration libre in vivo a aussi été améliorée. Pourtant, le mouvement du coeur induite par la respiration se produit en trois dimensions et il est plus complexe qu'un simple déplacement. Par conséquent, la deuxième étude (section 2.3, 3D Self-Navigation) traite d'une méthode de cor¬rection du mouvement 3D plutôt que 2D uniquement. Ici, différentes tech¬niques ont été adoptées pour réduire la contribution du signal du fond dans le suivi de mouvement respiratoire, qui peut être influencé négativement par le tissu statique qui entoure le coeur. La méthode proposée a démontré une amélioration, par rapport à la procédure classique SN de correction 1D, de la visualisation des artères coronaires dans le groupe de sujets sains et des pa¬tients avec maladies cardio-vasculaires. Dans la troisième étude (section 2.4,3D Self-Navigation with Compressed Sensing), les mêmes méthodes de suivi ont été utilisées pour obtenir des sous-images triées selon la position respiratoire. Au lieu de la correction du mouvement, une reconstruction de CS a été réalisée sur toutes les sous-images triées. Cette procédure exploite la cohérence des données pour réduire les artefacts de sous- échantillonnage de telle sorte que la sous-image correspondant à la phase de fin d'expiration peut directement être utilisée pour visualiser les coronaires. Dans un échantillon de volontaires en bonne santé, cette stratégie a amélioré la netteté et la visualisation des artères coronaires par rapport à une méthode classique SN ID. Pour la visualisation des parois des vaisseaux et de plaques d'athérosclérose, la technique de pointe avec double récupération d'inversion (DIR) est capa¬ble de supprimer le signal provenant du sang et de fournir un contraste posi¬tif entre la paroi et la lumière. Pourtant, il est difficile d'obtenir un contraste optimal car cela est soumis à la variabilité du rythme cardiaque. Par ailleurs, l'imagerie DIR est inefficace du point de vue du temps et les acquisitions "mul- tislice" peuvent conduire à des temps de scan prolongés. En réponse à ce prob¬lème et comme quatrième étude de cette thèse (chapitre 3, Vessel Wall MRI of the Carotid Arteries), une méthode de DIR phase-sensitive a été implémenté et testé

Environmental control of the Pom1-dependent cell-size regulation pathway in fission yeast

Cells couple their growth and division rate in response to nutrient availability to maintain a constant size. This co-ordination happens either at the G1-S or the G2-M transition of the cell cycle. In the rod-shaped fission yeast, size regulation happens at the G2-M transition prior to mitotic commitment. Recent studies have focused on the role of the DYRK-family protein kinase Pom1, which forms gradients emanating from cell poles and inhibits the mitotic activator kinase Cdr2, present at the cell middle. Pom1 was proposed to inhibit Cdr2 until cells reached a critical size before division. However when and where Pom1 inhibits Cdr2 is not clear as medial Pom1 levels do not change during cell elongation. Here I show that Pom1 gradients are susceptible to environmental changes in glucose. Specifically, upon glucose limitation, Pom1 re-localizes from the poles to the cell sides where it delays mitosis through regulating Cdr2. This re-localization occurs due to microtubule de- stabilization and lateral catastrophes leading to transient deposition of the Pom1 gradient nucleator Tea4 along the cell cortex. As Tea4 localization to cell sides is sufficient to recruit Pom1, this explains the mechanism of Pom1 re-localization. Microtubule destabilization and consequently Tea4 and Pom1 spread depends on the activity of the cAMP-dependent Protein Kinase A (PKA/Pka1), as pka1 mutant cells have stable microtubules and retain polar Tea4 and Pom1 under limited glucose. PKA signaling negatively regulates the microtubule rescue factor CLASP/Cls1, thus reducing its ability to stabilize microtubules. Thus PKA signaling tunes CLASP activity to promote microtubule de-stabilization and Pom1 re-localization upon glucose limitation. I show that the side-localized Pom1 delays mitosis and balances the role of the mitosis promoting, mitogen-associated protein kinase (MAPK) protein Sty1. Thus Pom1 re-localization may serve to buffer cell size upon glucose limitation. -- Afin de maintenir une taille constante, les cellules régulent leur croissance ainsi que leur taux de division selon les nutriments disponibles dans le milieu. Dans la levure fissipare, cette régulation de la taille précède l'engagement mitotique et se fait à la transition entre les phases G2 à M du cycle cellulaire. Des études récentes se sont focalisées sur le rôle de la protéine Pom1, membre de la famille des DYRK kinase. Celle-ci forme un gradient provenant des pôles de la cellule et inhibe l'activateur mitotique Cdr2 présent au centre de la cellule. Le model propose que Pom1 inhibe Cdr2 jusqu'à atteindre une taille critique avant la division. Cependant quand et à quel endroit dans la cellulle Pom1 inhibe Cdr2 n'était pas clair car les niveaux médians de Pom1 ne changent pas au cours de la l'élongation des cellules. Dans cette étude, je montre que les gradients de Pom1 sont sensibles aux changements environnementaux du taux de glucose. Plus spécifiquement, en conditions limitantes de glucose, Pom1 se relocalise des pôles de la cellule pour se distribuer sur les côtés de celle-ci. Par conséquent, un délai d'entrée en mitose est observé dû à l'inhibition Cdr2 par Pom1. Cette délocalisation est due à la déstabilisation des microtubules qui va conduire à une déposition transitoire de Tea4, le nucléateur du gradient de Pom1, tout au long du cortex de la cellule. Comme la localisation de Tea4 sur les côtés de la cellule est suffisante pour recruter la protéine Pom1, ceci explique le mécanisme de relocalisation de celle-ci. La déstabilisation des microtubules et par conséquent la diffusion de Tea4 et Pom1 dépendent de l'activité de la protéine kinase A dépendante de l'AMP cyclique (PKA/Pka1). En absence de pka1, la stabilité des microtubules n'est pas affectée ce qui permet la rétention de Tea4 et Pom1 aux pôles de la cellule même en conditions limitantes de glucose. La signalisation via PKA régule négativement le facteur de sauvetage des microtubules CLASP/Cls1 et permet donc de réduire sa fonction de déstabilisation des microtubules. Ainsi la signalisation via PKA affine l'activité des CLASP pour promouvoir la déstabilisation des microtubules et la relocalisation de Pom1 en conditions limitantes de glucose. Je montre que la localisation sur les côtés retarde l'entrée en mitose et compense l'action de la protéine Sty1, connue pour être une MAPK qui induit l'entrée en mitose. Ainsi, la relocalisation de Pom1 pourrait servir à tamponner la taille de la cellule en condition limitantes de glucose. -- Various cell types in the environment such as bacterial, plant or animal cells have a distinct cellular size. Maintaining a constant cell size is important for fitness in unicellular organisms and for diverse functions in multicellular organisms. Cells regulate their size by coordinating their growth rate to their division rate. This coupling is important otherwise cells would get progressively smaller or larger after each successive cell cycle. In their natural environment cells may face fluctuations in the available nutrient supply. Thus cells have to coordinate their division rate to the variable growth rates shown under different nutrient conditions. During my PhD, I worked with a single-celled rod shaped yeast called the fission yeast. These cells are longer when the nutrient supply is abundant and shorter when the nutrient supply is scarce. A protein that senses changes in the external carbon source (glucose) is called Protein Kinase A (PKA). The rod shape of fission yeast cells is maintained thanks to a structural backbone called the cytoskeleton. One of the components of this backbone is called microtubules, which are small tube like structures spanning the length of the cell. They transport a protein called Tea4, which in turn is important for the proper localization of another protein Pom1 to the cell ends. Pom1 helps to maintain proper shape and size of these rod shaped yeast cells. My thesis work showed that upon reduction in the external nutrient (glucose) levels, microtubules become less stable and show an alteration in their organization. A significant percentage of the microtubules contact the side of the cell instead of touching only the cell tip. This leads to the spreading of the protein Pom1 away from the tips all around the cell periphery. This helps fission yeast cells to maintain the proper size required under these conditions of limited glucose supply. I further showed that the protein PKA regulates microtubule stability and organization and thus Pom1 spreading and maintenance of proper cell size. Thus my work led to the discovery of a novel pathway by which fission yeast cells maintain their size under limited supply of glucose. -- Divers types cellulaires dans l'environnement tels que les bactéries, les plantes ou les cellules animales ont une taille précise. Le maintien d'une taille cellulaire constante est importante pour le fitness des organismes unicellulaire ainsi que pour multiples fonctions dans les organismes multicellulaires. Les cellules régulent leur taille en coordonnant le taux de croissance avec le taux de division. Ce couplage est essentiel sinon les cellules deviendraient progressivement plus petites ou plus grandes après chaque cycle cellulaire. Dans leur habitat naturels les cellules peuvent faire face a des fluctuations dans le taux de nutriment disponible. Les cellules doivent donc coordonner leur taux de division aux taux variables de croissances perçus dans les différentes conditions nutritionnels. Pendant ma thèse, j'ai travaillée sur une levure unicellulaire, en forme de bâtonnet, nommé levure fissipare ou levure de fission. La taille de ces cellules est plus grande quand le taux de nutriments est grand et plus courte quand celui-ci est plus faible. Une protéine qui perçoit les changements dans le taux externe de la source de carbone (glucose) est nommée PKA pour protéine kinase A. La forme en bâtonnet de la cellule est due aux caractères structuraux du cytosquelette. Une composante importante de ce cytosquelette sont les microtubules, dont la structures ressemble à des petit tubes qui vont d'un bout à l'autre de la cellule. Ces microtubules transportent une protéine importante nommée Tea4 qui à leur tour importante pour la bonne localisation d'une autre protéine Pom1 aux extrémités de la cellule. La protéine Pom1 aide à maintenir la taille appropriée des levures fissipares. Mon travail de thèse a montré qu'en présence de taux faible de nutriments (glucose) les microtubules deviennent de moins en moins stables et montrent une désorganisation globale. Un pourcentage significatif des microtubules touche les côtés de la cellule aux lieu d'atteindre uniquement les extrémités. Ceci a pour conséquence une diffusion de Pom1 tout au long du cortex de la cellule. Ceci aide les levures fissipares à maintenir la taille appropriée pendant ce stress nutritionnel. De plus, je montre que PKA régule la stabilité et l'organisation des microtubules et par conséquent la diffusion de Pom1 et le maintien d'une taille constante. En conclusion, mon travail a conduit à la découverte d'un nouveau mécanisme par lequel la levure fissipare maintient sa taille dans des conditions limitantes en glucose.