Inpatient diabetes care in a Swiss multi-site hospital: is there room for improvement?

Background and objective: Optimal care of diabetic patients (DPs) decreases the risk of complications. Close blood glucose monitoring can improve patient outcomes and shorten hospital stay. The objective of this pilot study was to evaluate the treatment of hospitalized DPs according to the current standards, including their diabetic treatment and drugs to prevent diabetes related complications [=guardian drugs: angiotensin converting enzyme inhibitors (ACEI) or Angiotensin II Receptor Blockers (ARB), antiplatelet drugs, statins]. Guidelines of the American Diabetes Association (ADA) [1] were used as reference as they were the most recent and exhaustive for hospital care. Design: Observational pilot study: analysis of the medical records of all DPs seen by the clinical pharmacists during medical rounds in different hospital units. An assessment was made by assigning points for fulfilling the different criteria according to ADA and then by dividing the total by the maximum achievable points (scale 0-1; 1 = all criteria fulfilled). Setting: Different Internal Medicine and Geriatric Units of the (multi-site) Ho^pital du Valais. Main outcome measures: - Completeness of diabetes-related information: type of diabetes, medical history, weight, albuminuria status, renal function, blood pressure, (recent) lipid profile. - Management of blood glucose: Hb1Ac, glycemic control, plan for treating hyper-/hypoglycaemia. - Presence of guardian drugs if indicated. Results: Medical records of 42 patients in 10 different units were analysed (18 women, 24 men, mean age 75.4 ± 11 years). 41 had type 2 diabetes. - Completeness of diabetes-related information: 0.8 ± 0.1. Information often missing: insulin-dependence (43%) and lipid profile (86%). - Management of blood glucose: 0.5 ± 0.2. 15 patients had suboptimal glycemic balance (target glycaemia 7.2-11.2 mmol/ l, with values[11.2 or\3.8 mmol/l, or Hb1Ac[7%), 10 patients had a deregulated balance (more than 10 values[11.2 mmol/l or \3.8 mmol/l and even values[15 mmol/l). - Presence of guardian drugs if indicated: ACEI/ARB: 19 of 23 patients (82.6%), statin: 16 of 40 patients (40%), antiplatelet drug: 16 of 39 patients (41%). Conclusions: Blood glucose control was insufficient in many DPs and prescription of statins and antiplatelet drugs was often missing. If confirmed by a larger study, these two points need to be optimised. As it is not always possible and appropriate to make those changes during hospital stay, a further project should assess and optimise diabetes care across both inpatient and outpatient settings.

A multi-center study: intra-scan and inter-scan variability of diffusion spectrum imaging.

The objective of this study was to investigate whether it is possible to pool together diffusion spectrum imaging data from four different scanners, located at three different sites. Two of the scanners had identical configuration whereas two did not. To measure the variability, we extracted three scalar maps (ADC, FA and GFA) from the DSI and utilized a region and a tract-based analysis. Additionally, a phantom study was performed to rule out some potential factors arising from the scanner performance in case some systematic bias occurred in the subject study. This work was split into three experiments: intra-scanner reproducibility, reproducibility with twin-scanner settings and reproducibility with other configurations. Overall for the intra-scanner and twin-scanner experiments, the region-based analysis coefficient of variation (CV) was in a range of 1%-4.2% and below 3% for almost every bundle for the tract-based analysis. The uncinate fasciculus showed the worst reproducibility, especially for FA and GFA values (CV 3.7-6%). For the GFA and FA maps, an ICC value of 0.7 and above is observed in almost all the regions/tracts. Looking at the last experiment, it was found that there is a very high similarity of the outcomes from the two scanners with identical setting. However, this was not the case for the two other imagers. Given the fact that the overall variation in our study is low for the imagers with identical settings, our findings support the feasibility of cross-site pooling of DSI data from identical scanners.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Measurement of multi-segment foot joint angles during gait using a wearable system.

Usually the measurement of multi-segment foot and ankle complex kinematics is done with stationary motion capture devices which are limited to use in a gait laboratory. This study aimed to propose and validate a wearable system to measure the foot and ankle complex joint angles during gait in daily conditions, and then to investigate its suitability for clinical evaluations. The foot and ankle complex consisted of four segments (shank, hindfoot, forefoot, and toes), with an inertial measurement unit (3D gyroscopes and 3D accelerometers) attached to each segment. The angles between the four segments were calculated in the sagittal, coronal, and transverse planes using a new algorithm combining strap-down integration and detection of low-acceleration instants. To validate the joint angles measured by the wearable system, three subjects walked on a treadmill for five minutes at three different speeds. A camera-based stationary system that used a cluster of markers on each segment was used as a reference. To test the suitability of the system for clinical evaluation, the joint angle ranges were compared between a group of 10 healthy subjects and a group of 12 patients with ankle osteoarthritis, during two 50-m walking trials where the wearable system was attached to each subject. On average, over all joints and walking speeds, the RMS differences and correlation coefficients between the angular curves obtained using the wearable system and the stationary system were 1 deg and 0.93, respectively. Moreover, this system was able to detect significant alteration of foot and ankle function between the group of patients with ankle osteoarthritis and the group of healthy subjects. In conclusion, this wearable system was accurate and suitable for clinical evaluation when used to measure the multi-segment foot and ankle complex kinematics during long-distance walks in daily life conditions.

Multi-scale systems analysis of plant development : beyond cellular signaling and tissue morphodynamics

Les plantes sont essentielles pour les sociétés humaines. Notre alimentation quotidienne, les matériaux de constructions et les sources énergétiques dérivent de la biomasse végétale. En revanche, la compréhension des multiples aspects développementaux des plantes est encore peu exploitée et représente un sujet de recherche majeur pour la science. L'émergence des technologies à haut débit pour le séquençage de génome à grande échelle ou l'imagerie de haute résolution permet à présent de produire des quantités énormes d'information. L'analyse informatique est une façon d'intégrer ces données et de réduire la complexité apparente vers une échelle d'abstraction appropriée, dont la finalité est de fournir des perspectives de recherches ciblées. Ceci représente la raison première de cette thèse. En d'autres termes, nous appliquons des méthodes descriptives et prédictives combinées à des simulations numériques afin d'apporter des solutions originales à des problèmes relatifs à la morphogénèse à l'échelle de la cellule et de l'organe. Nous nous sommes fixés parmi les objectifs principaux de cette thèse d'élucider de quelle manière l'interaction croisée des phytohormones auxine et brassinosteroïdes (BRs) détermine la croissance de la cellule dans la racine du méristème apical d'Arabidopsis thaliana, l'organisme modèle de référence pour les études moléculaires en plantes. Pour reconstruire le réseau de signalement cellulaire, nous avons extrait de la littérature les informations pertinentes concernant les relations entre les protéines impliquées dans la transduction des signaux hormonaux. Le réseau a ensuite été modélisé en utilisant un formalisme logique et qualitatif pour pallier l'absence de données quantitatives. Tout d'abord, Les résultats ont permis de confirmer que l'auxine et les BRs agissent en synergie pour contrôler la croissance de la cellule, puis, d'expliquer des observations phénotypiques paradoxales et au final, de mettre à jour une interaction clef entre deux protéines dans la maintenance du méristème de la racine. Une étude ultérieure chez la plante modèle Brachypodium dystachion (Brachypo- dium) a révélé l'ajustement du réseau d'interaction croisée entre auxine et éthylène par rapport à Arabidopsis. Chez ce dernier, interférer avec la biosynthèse de l'auxine mène à la formation d'une racine courte. Néanmoins, nous avons isolé chez Brachypodium un mutant hypomorphique dans la biosynthèse de l'auxine qui affiche une racine plus longue. Nous avons alors conduit une analyse morphométrique qui a confirmé que des cellules plus anisotropique (plus fines et longues) sont à l'origine de ce phénotype racinaire. Des analyses plus approfondies ont démontré que la différence phénotypique entre Brachypodium et Arabidopsis s'explique par une inversion de la fonction régulatrice dans la relation entre le réseau de signalisation par l'éthylène et la biosynthèse de l'auxine. L'analyse morphométrique utilisée dans l'étude précédente exploite le pipeline de traitement d'image de notre méthode d'histologie quantitative. Pendant la croissance secondaire, la symétrie bilatérale de l'hypocotyle est remplacée par une symétrie radiale et une organisation concentrique des tissus constitutifs. Ces tissus sont initialement composés d'une douzaine de cellules mais peuvent aisément atteindre des dizaines de milliers dans les derniers stades du développement. Cette échelle dépasse largement le seuil d'investigation par les moyens dits 'traditionnels' comme l'imagerie directe de tissus en profondeur. L'étude de ce système pendant cette phase de développement ne peut se faire qu'en réalisant des coupes fines de l'organe, ce qui empêche une compréhension des phénomènes cellulaires dynamiques sous-jacents. Nous y avons remédié en proposant une stratégie originale nommée, histologie quantitative. De fait, nous avons extrait l'information contenue dans des images de très haute résolution de sections transverses d'hypocotyles en utilisant un pipeline d'analyse et de segmentation d'image à grande échelle. Nous l'avons ensuite combiné avec un algorithme de reconnaissance automatique des cellules. Cet outil nous a permis de réaliser une description quantitative de la progression de la croissance secondaire révélant des schémas développementales non-apparents avec une inspection visuelle classique. La formation de pôle de phloèmes en structure répétée et espacée entre eux d'une longueur constante illustre les bénéfices de notre approche. Par ailleurs, l'exploitation approfondie de ces résultats a montré un changement de croissance anisotropique des cellules du cambium et du phloème qui semble en phase avec l'expansion du xylème. Combinant des outils génétiques et de la modélisation biomécanique, nous avons démontré que seule la croissance plus rapide des tissus internes peut produire une réorientation de l'axe de croissance anisotropique des tissus périphériques. Cette prédiction a été confirmée par le calcul du ratio des taux de croissance du xylème et du phloème au cours de développement secondaire ; des ratios élevés sont effectivement observés et concomitant à l'établissement progressif et tangentiel du cambium. Ces résultats suggèrent un mécanisme d'auto-organisation établi par un gradient de division méristématique qui génèrent une distribution de contraintes mécaniques. Ceci réoriente la croissance anisotropique des tissus périphériques pour supporter la croissance secondaire. - Plants are essential for human society, because our daily food, construction materials and sustainable energy are derived from plant biomass. Yet, despite this importance, the multiple developmental aspects of plants are still poorly understood and represent a major challenge for science. With the emergence of high throughput devices for genome sequencing and high-resolution imaging, data has never been so easy to collect, generating huge amounts of information. Computational analysis is one way to integrate those data and to decrease the apparent complexity towards an appropriate scale of abstraction with the aim to eventually provide new answers and direct further research perspectives. This is the motivation behind this thesis work, i.e. the application of descriptive and predictive analytics combined with computational modeling to answer problems that revolve around morphogenesis at the subcellular and organ scale. One of the goals of this thesis is to elucidate how the auxin-brassinosteroid phytohormone interaction determines the cell growth in the root apical meristem of Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), the plant model of reference for molecular studies. The pertinent information about signaling protein relationships was obtained through the literature to reconstruct the entire hormonal crosstalk. Due to a lack of quantitative information, we employed a qualitative modeling formalism. This work permitted to confirm the synergistic effect of the hormonal crosstalk on cell elongation, to explain some of our paradoxical mutant phenotypes and to predict a novel interaction between the BREVIS RADIX (BRX) protein and the transcription factor MONOPTEROS (MP),which turned out to be critical for the maintenance of the root meristem. On the same subcellular scale, another study in the monocot model Brachypodium dystachion (Brachypodium) revealed an alternative wiring of auxin-ethylene crosstalk as compared to Arabidopsis. In the latter, increasing interference with auxin biosynthesis results in progressively shorter roots. By contrast, a hypomorphic Brachypodium mutant isolated in this study in an enzyme of the auxin biosynthesis pathway displayed a dramatically longer seminal root. Our morphometric analysis confirmed that more anisotropic cells (thinner and longer) are principally responsible for the mutant root phenotype. Further characterization pointed towards an inverted regulatory logic in the relation between ethylene signaling and auxin biosynthesis in Brachypodium as compared to Arabidopsis, which explains the phenotypic discrepancy. Finally, the morphometric analysis of hypocotyl secondary growth that we applied in this study was performed with the image-processing pipeline of our quantitative histology method. During its secondary growth, the hypocotyl reorganizes its primary bilateral symmetry to a radial symmetry of highly specialized tissues comprising several thousand cells, starting with a few dozens. However, such a scale only permits observations in thin cross-sections, severely hampering a comprehensive analysis of the morphodynamics involved. Our quantitative histology strategy overcomes this limitation. We acquired hypocotyl cross-sections from tiled high-resolution images and extracted their information content using custom high-throughput image processing and segmentation. Coupled with an automated cell type recognition algorithm, it allows precise quantitative characterization of vascular development and reveals developmental patterns that were not evident from visual inspection, for example the steady interspace distance of the phloem poles. Further analyses indicated a change in growth anisotropy of cambial and phloem cells, which appeared in phase with the expansion of xylem. Combining genetic tools and computational modeling, we showed that the reorientation of growth anisotropy axis of peripheral tissue layers only occurs when the growth rate of central tissue is higher than the peripheral one. This was confirmed by the calculation of the ratio of the growth rate xylem to phloem throughout secondary growth. High ratios are indeed observed and concomitant with the homogenization of cambium anisotropy. These results suggest a self-organization mechanism, promoted by a gradient of division in the cambium that generates a pattern of mechanical constraints. This, in turn, reorients the growth anisotropy of peripheral tissues to sustain the secondary growth.

Involvement of family physicians in structured programs for chronic diseases or multi-morbidity in Switzerland.

The increasing prevalence of chronic diseases and multi-morbidity represents challenges for health systems worldwide. In that perspective, the current organization of healthcare delivery, fragmentation of care, limited use of evidence-based guidelines and patients'insufficient empowerment are some reasons explaining the current limited effectiveness of the management of chronically ill patients. Based on theoretical models such as the Chronic Care Model (CCM), initiatives targeting improvements in the care of patients with chronic diseases have been implemented worldwide since more than a decade. Their development in Switzerland, a health system where more than half of practices are still single handed [6], is only recent and infrequent. Structured programs for patients with chronic diseases or multimorbidity usually propose patient-centered interventions and consider an integrative multidisciplinary approach. Currently, little is known on the existence of such programs and on the role of family physicians (FPs)within these programs, in Switzerland. The objective of this study was to identify and describe current structured programs targeting chronic diseases or multi-morbidity in Switzerland. This may help in examining innovative approaches that are only developed locally but would deserve wider interest for further implementation. We conducted a telephone-based survey between June and November 2013 and contacted systematically key institutions, informants and stakeholders nationwide and in the 26 cantons...

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.

An efficient total variation algorithm for super-resolution in fetal brain MRI with adaptive regularization.

Although fetal anatomy can be adequately viewed in new multi-slice MR images, many critical limitations remain for quantitative data analysis. To this end, several research groups have recently developed advanced image processing methods, often denoted by super-resolution (SR) techniques, to reconstruct from a set of clinical low-resolution (LR) images, a high-resolution (HR) motion-free volume. It is usually modeled as an inverse problem where the regularization term plays a central role in the reconstruction quality. Literature has been quite attracted by Total Variation energies because of their ability in edge preserving but only standard explicit steepest gradient techniques have been applied for optimization. In a preliminary work, it has been shown that novel fast convex optimization techniques could be successfully applied to design an efficient Total Variation optimization algorithm for the super-resolution problem. In this work, two major contributions are presented. Firstly, we will briefly review the Bayesian and Variational dual formulations of current state-of-the-art methods dedicated to fetal MRI reconstruction. Secondly, we present an extensive quantitative evaluation of our SR algorithm previously introduced on both simulated fetal and real clinical data (with both normal and pathological subjects). Specifically, we study the robustness of regularization terms in front of residual registration errors and we also present a novel strategy for automatically select the weight of the regularization as regards the data fidelity term. Our results show that our TV implementation is highly robust in front of motion artifacts and that it offers the best trade-off between speed and accuracy for fetal MRI recovery as in comparison with state-of-the art methods.

New Algorithm for Managing Childhood Illness Using Mobile Technology (ALMANACH): A Controlled Non-Inferiority Study on Clinical Outcome and Antibiotic Use in Tanzania.

INTRODUCTION: The decline of malaria and scale-up of rapid diagnostic tests calls for a revision of IMCI. A new algorithm (ALMANACH) running on mobile technology was developed based on the latest evidence. The objective was to ensure that ALMANACH was safe, while keeping a low rate of antibiotic prescription. METHODS: Consecutive children aged 2-59 months with acute illness were managed using ALMANACH (2 intervention facilities), or standard practice (2 control facilities) in Tanzania. Primary outcomes were proportion of children cured at day 7 and who received antibiotics on day 0. RESULTS: 130/842 (15∙4%) in ALMANACH and 241/623 (38∙7%) in control arm were diagnosed with an infection in need for antibiotic, while 3∙8% and 9∙6% had malaria. 815/838 (97∙3%;96∙1-98.4%) were cured at D7 using ALMANACH versus 573/623 (92∙0%;89∙8-94∙1%) using standard practice (p<0∙001). Of 23 children not cured at D7 using ALMANACH, 44% had skin problems, 30% pneumonia, 26% upper respiratory infection and 13% likely viral infection at D0. Secondary hospitalization occurred for one child using ALMANACH and one who eventually died using standard practice. At D0, antibiotics were prescribed to 15∙4% (12∙9-17∙9%) using ALMANACH versus 84∙3% (81∙4-87∙1%) using standard practice (p<0∙001). 2∙3% (1∙3-3.3) versus 3∙2% (1∙8-4∙6%) received an antibiotic secondarily. CONCLUSION: Management of children using ALMANACH improve clinical outcome and reduce antibiotic prescription by 80%. This was achieved through more accurate diagnoses and hence better identification of children in need of antibiotic treatment or not. The building on mobile technology allows easy access and rapid update of the decision chart. TRIAL REGISTRATION: Pan African Clinical Trials Registry PACTR201011000262218.

Managing the Sick Child in the Era of Declining Malaria Transmission: Development of ALMANACH, an Electronic Algorithm for Appropriate Use of Antimicrobials.

OBJECTIVE: To review the available knowledge on epidemiology and diagnoses of acute infections in children aged 2 to 59 months in primary care setting and develop an electronic algorithm for the Integrated Management of Childhood Illness to reach optimal clinical outcome and rational use of medicines. METHODS: A structured literature review in Medline, Embase and the Cochrane Database of Systematic Review (CDRS) looked for available estimations of diseases prevalence in outpatients aged 2-59 months, and for available evidence on i) accuracy of clinical predictors, and ii) performance of point-of-care tests for targeted diseases. A new algorithm for the management of childhood illness (ALMANACH) was designed based on evidence retrieved and results of a study on etiologies of fever in Tanzanian children outpatients. FINDINGS: The major changes in ALMANACH compared to IMCI (2008 version) are the following: i) assessment of 10 danger signs, ii) classification of non-severe children into febrile and non-febrile illness, the latter receiving no antibiotics, iii) classification of pneumonia based on a respiratory rate threshold of 50 assessed twice for febrile children 12-59 months; iv) malaria rapid diagnostic test performed for all febrile children. In the absence of identified source of fever at the end of the assessment, v) urine dipstick performed for febrile children <2 years to consider urinary tract infection, vi) classification of 'possible typhoid' for febrile children >2 years with abdominal tenderness; and lastly vii) classification of 'likely viral infection' in case of negative results. CONCLUSION: This smartphone-run algorithm based on new evidence and two point-of-care tests should improve the quality of care of <5 year children and lead to more rational use of antimicrobials.

Multi-institutional validation of the prognostic value of Ki-67 labeling index in patients treated with radical prostatectomy.

OBJECTIVE: Several smaller single-center studies have reported a prognostic role for Ki-67 labeling index in prostate cancer. Our aim was to test whether Ki-67 is an independent prognostic marker of biochemical recurrence (BCR) in a large international cohort of patients treated with radical prostatectomy (RP). METHODS: Ki-67 immunohistochemical staining on prostatectomy specimens from 3,123 patients who underwent RP for prostate cancer was retrospectively performed. Univariable and multivariable Cox regression models were used to assess the association of Ki-67 status with BCR. RESULTS: Ki-67 positive status was observed in 762 (24.4 %) patients and was associated with lymph node involvement (LNI) (p = 0.039). Six hundred and twenty-one (19.9 %) patients experienced BCR. The estimated 3-year biochemical-free survivals were 85 % for patients with negative Ki-67 status and 82.1 % for patients with positive Ki-67 status (log-rank test, p = 0.014). In multivariable analysis that adjusted for the effects of age, preoperative PSA, RP Gleason sum, seminal vesicle invasion, extracapsular extension, positive surgical margins, lymphovascular invasion, and LNI, Ki-67 was significantly associated with BCR (HR = 1.19; p = 0.019). Subgroup analysis revealed that Ki-67 is associated with BCR in patients without LNI (p = 0.004), those with RP Gleason sum 7 (p = 0.015), and those with negative surgical margins (p = 0.047). CONCLUSION: We confirmed Ki-67 as an independent predictor of BCR after RP. Ki-67 could be particularly informative in patients with favorable pathologic characteristics to help in the clinical decision-making regarding adjuvant therapy and optimized follow-up scheduling.

Objective assessment of low contrast detectability in computed tomography with Channelized Hotelling Observer.

PURPOSE: Iterative algorithms introduce new challenges in the field of image quality assessment. The purpose of this study is to use a mathematical model to evaluate objectively the low contrast detectability in CT. MATERIALS AND METHODS: A QRM 401 phantom containing 5 and 8 mm diameter spheres with a contrast level of 10 and 20 HU was used. The images were acquired at 120 kV with CTDIvol equal to 5, 10, 15, 20 mGy and reconstructed using the filtered back-projection (FBP), adaptive statistical iterative reconstruction 50% (ASIR 50%) and model-based iterative reconstruction (MBIR) algorithms. The model observer used is the Channelized Hotelling Observer (CHO). The channels are dense difference of Gaussian channels (D-DOG). The CHO performances were compared to the outcomes of six human observers having performed four alternative forced choice (4-AFC) tests. RESULTS: For the same CTDIvol level and according to CHO model, the MBIR algorithm gives the higher detectability index. The outcomes of human observers and results of CHO are highly correlated whatever the dose levels, the signals considered and the algorithms used when some noise is added to the CHO model. The Pearson coefficient between the human observers and the CHO is 0.93 for FBP and 0.98 for MBIR. CONCLUSION: The human observers' performances can be predicted by the CHO model. This opens the way for proposing, in parallel to the standard dose report, the level of low contrast detectability expected. The introduction of iterative reconstruction requires such an approach to ensure that dose reduction does not impair diagnostics.