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.

Biotic interactions boost spatial models of species richness

Biotic interactions are known to affect the composition of species assemblages via several mechanisms, such as competition and facilitation. However, most spatial models of species richness do not explicitly consider inter-specific interactions. Here, we test whether incorporating biotic interactions into high-resolution models alters predictions of species richness as hypothesised. We included key biotic variables (cover of three dominant arctic-alpine plant species) into two methodologically divergent species richness modelling frameworks - stacked species distribution models (SSDM) and macroecological models (MEM) - for three ecologically and evolutionary distinct taxonomic groups (vascular plants, bryophytes and lichens). Predictions from models including biotic interactions were compared to the predictions of models based on climatic and abiotic data only. Including plant-plant interactions consistently and significantly lowered bias in species richness predictions and increased predictive power for independent evaluation data when compared to the conventional climatic and abiotic data based models. Improvements in predictions were constant irrespective of the modelling framework or taxonomic group used. The global biodiversity crisis necessitates accurate predictions of how changes in biotic and abiotic conditions will potentially affect species richness patterns. Here, we demonstrate that models of the spatial distribution of species richness can be improved by incorporating biotic interactions, and thus that these key predictor factors must be accounted for in biodiversity forecasts

Tools and data services registry: a community effort to document bioinformatics resources.

Life sciences are yielding huge data sets that underpin scientific discoveries fundamental to improvement in human health, agriculture and the environment. In support of these discoveries, a plethora of databases and tools are deployed, in technically complex and diverse implementations, across a spectrum of scientific disciplines. The corpus of documentation of these resources is fragmented across the Web, with much redundancy, and has lacked a common standard of information. The outcome is that scientists must often struggle to find, understand, compare and use the best resources for the task at hand.Here we present a community-driven curation effort, supported by ELIXIR-the European infrastructure for biological information-that aspires to a comprehensive and consistent registry of information about bioinformatics resources. The sustainable upkeep of this Tools and Data Services Registry is assured by a curation effort driven by and tailored to local needs, and shared amongst a network of engaged partners.As of November 2015, the registry includes 1785 resources, with depositions from 126 individual registrations including 52 institutional providers and 74 individuals. With community support, the registry can become a standard for dissemination of information about bioinformatics resources: we welcome everyone to join us in this common endeavour. The registry is freely available at https://bio.tools.

Analysis of space-time environmental data in complex regions

This thesis develops a comprehensive and a flexible statistical framework for the analysis and detection of space, time and space-time clusters of environmental point data. The developed clustering methods were applied in both simulated datasets and real-world environmental phenomena; however, only the cases of forest fires in Canton of Ticino (Switzerland) and in Portugal are expounded in this document. Normally, environmental phenomena can be modelled as stochastic point processes where each event, e.g. the forest fire ignition point, is characterised by its spatial location and occurrence in time. Additionally, information such as burned area, ignition causes, landuse, topographic, climatic and meteorological features, etc., can also be used to characterise the studied phenomenon. Thereby, the space-time pattern characterisa- tion represents a powerful tool to understand the distribution and behaviour of the events and their correlation with underlying processes, for instance, socio-economic, environmental and meteorological factors. Consequently, we propose a methodology based on the adaptation and application of statistical and fractal point process measures for both global (e.g. the Morisita Index, the Box-counting fractal method, the multifractal formalism and the Ripley's K-function) and local (e.g. Scan Statistics) analysis. Many measures describing the space-time distribution of environmental phenomena have been proposed in a wide variety of disciplines; nevertheless, most of these measures are of global character and do not consider complex spatial constraints, high variability and multivariate nature of the events. Therefore, we proposed an statistical framework that takes into account the complexities of the geographical space, where phenomena take place, by introducing the Validity Domain concept and carrying out clustering analyses in data with different constrained geographical spaces, hence, assessing the relative degree of clustering of the real distribution. Moreover, exclusively to the forest fire case, this research proposes two new methodologies to defining and mapping both the Wildland-Urban Interface (WUI) described as the interaction zone between burnable vegetation and anthropogenic infrastructures, and the prediction of fire ignition susceptibility. In this regard, the main objective of this Thesis was to carry out a basic statistical/- geospatial research with a strong application part to analyse and to describe complex phenomena as well as to overcome unsolved methodological problems in the characterisation of space-time patterns, in particular, the forest fire occurrences. Thus, this Thesis provides a response to the increasing demand for both environmental monitoring and management tools for the assessment of natural and anthropogenic hazards and risks, sustainable development, retrospective success analysis, etc. The major contributions of this work were presented at national and international conferences and published in 5 scientific journals. National and international collaborations were also established and successfully accomplished. -- Cette thèse développe une méthodologie statistique complète et flexible pour l'analyse et la détection des structures spatiales, temporelles et spatio-temporelles de données environnementales représentées comme de semis de points. Les méthodes ici développées ont été appliquées aux jeux de données simulées autant qu'A des phénomènes environnementaux réels; nonobstant, seulement le cas des feux forestiers dans le Canton du Tessin (la Suisse) et celui de Portugal sont expliqués dans ce document. Normalement, les phénomènes environnementaux peuvent être modélisés comme des processus ponctuels stochastiques ou chaque événement, par ex. les point d'ignition des feux forestiers, est déterminé par son emplacement spatial et son occurrence dans le temps. De plus, des informations tels que la surface bru^lée, les causes d'ignition, l'utilisation du sol, les caractéristiques topographiques, climatiques et météorologiques, etc., peuvent aussi être utilisées pour caractériser le phénomène étudié. Par conséquent, la définition de la structure spatio-temporelle représente un outil puissant pour compren- dre la distribution du phénomène et sa corrélation avec des processus sous-jacents tels que les facteurs socio-économiques, environnementaux et météorologiques. De ce fait, nous proposons une méthodologie basée sur l'adaptation et l'application de mesures statistiques et fractales des processus ponctuels d'analyse global (par ex. l'indice de Morisita, la dimension fractale par comptage de boîtes, le formalisme multifractal et la fonction K de Ripley) et local (par ex. la statistique de scan). Des nombreuses mesures décrivant les structures spatio-temporelles de phénomènes environnementaux peuvent être trouvées dans la littérature. Néanmoins, la plupart de ces mesures sont de caractère global et ne considèrent pas de contraintes spatiales com- plexes, ainsi que la haute variabilité et la nature multivariée des événements. A cet effet, la méthodologie ici proposée prend en compte les complexités de l'espace géographique ou le phénomène a lieu, à travers de l'introduction du concept de Domaine de Validité et l'application des mesures d'analyse spatiale dans des données en présentant différentes contraintes géographiques. Cela permet l'évaluation du degré relatif d'agrégation spatiale/temporelle des structures du phénomène observé. En plus, exclusif au cas de feux forestiers, cette recherche propose aussi deux nouvelles méthodologies pour la définition et la cartographie des zones périurbaines, décrites comme des espaces anthropogéniques à proximité de la végétation sauvage ou de la forêt, et de la prédiction de la susceptibilité à l'ignition de feu. A cet égard, l'objectif principal de cette Thèse a été d'effectuer une recherche statistique/géospatiale avec une forte application dans des cas réels, pour analyser et décrire des phénomènes environnementaux complexes aussi bien que surmonter des problèmes méthodologiques non résolus relatifs à la caractérisation des structures spatio-temporelles, particulièrement, celles des occurrences de feux forestières. Ainsi, cette Thèse fournit une réponse à la demande croissante de la gestion et du monitoring environnemental pour le déploiement d'outils d'évaluation des risques et des dangers naturels et anthro- pogéniques. Les majeures contributions de ce travail ont été présentées aux conférences nationales et internationales, et ont été aussi publiées dans 5 revues internationales avec comité de lecture. Des collaborations nationales et internationales ont été aussi établies et accomplies avec succès.