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

Prolonged Period of Cortical Plasticity upon Redox Dysregulation in Fast-Spiking Interneurons.

BACKGROUND: Oxidative stress and the specific impairment of perisomatic gamma-aminobutyric acid circuits are hallmarks of the schizophrenic brain and its animal models. Proper maturation of these fast-spiking inhibitory interneurons normally defines critical periods of experience-dependent cortical plasticity. METHODS: Here, we linked these processes by genetically inducing a redox dysregulation restricted to such parvalbumin-positive cells and examined the impact on critical period plasticity using the visual system as a model (3-6 mice/group). RESULTS: Oxidative stress was accompanied by a significant loss of perineuronal nets, which normally enwrap mature fast-spiking cells to limit adult plasticity. Accordingly, the neocortex remained plastic even beyond the peak of its natural critical period. These effects were not seen when redox dysregulation was targeted in excitatory principal cells. CONCLUSIONS: A cell-specific regulation of redox state thus balances plasticity and stability of cortical networks. Mistimed developmental trajectories of brain plasticity may underlie, in part, the pathophysiology of mental illness. Such prolonged developmental plasticity may, in turn, offer a therapeutic opportunity for cognitive interventions targeting brain plasticity in schizophrenia.

Dysregulated ADAM10-Mediated Processing of APP during a Critical Time Window Leads to Synaptic Deficits in Fragile X Syndrome.

The Fragile X mental retardation protein (FMRP) regulates neuronal RNA metabolism, and its absence or mutations leads to the Fragile X syndrome (FXS). The β-amyloid precursor protein (APP) is involved in Alzheimer's disease, plays a role in synapse formation, and is upregulated in intellectual disabilities. Here, we show that during mouse synaptogenesis and in human FXS fibroblasts, a dual dysregulation of APP and the α-secretase ADAM10 leads to the production of an excess of soluble APPα (sAPPα). In FXS, sAPPα signals through the metabotropic receptor that, activating the MAP kinase pathway, leads to synaptic and behavioral deficits. Modulation of ADAM10 activity in FXS reduces sAPPα levels, restoring translational control, synaptic morphology, and behavioral plasticity. Thus, proper control of ADAM10-mediated APP processing during a specific developmental postnatal stage is crucial for healthy spine formation and function(s). Downregulation of ADAM10 activity at synapses may be an effective strategy for ameliorating FXS phenotypes.

Generation of supercoils in nicked and gapped DNA drives DNA unknotting and postreplicative decatenation.

Due to the helical structure of DNA the process of DNA replication is topologically complex. Freshly replicated DNA molecules are catenated with each other and are frequently knotted. For proper functioning of DNA it is necessary to remove all of these entanglements. This is done by DNA topoisomerases that pass DNA segments through each other. However, it has been a riddle how DNA topoisomerases select the sites of their action. In highly crowded DNA in living cells random passages between contacting segments would only increase the extent of entanglement. Using molecular dynamics simulations we observed that in actively supercoiled DNA molecules the entanglements resulting from DNA knotting or catenation spontaneously approach sites of nicks and gaps in the DNA. Type I topoisomerases, that preferentially act at sites of nick and gaps, are thus naturally provided with DNA-DNA juxtapositions where a passage results in an error-free DNA unknotting or DNA decatenation.

Demonstration of the effectiveness of zinc in diarrhoea of children living in Switzerland.

We designed a double-blinded randomized clinical trial of zinc (10 or 20 mg of zinc sulphate for 2-5 month-old or 6-59 month-old children, respectively, during 10 days) vs. placebo in otherwise healthy children aged 2 months to 5 years who presented with acute diarrhoea (i.e. ≥3 stools/day for less than 72 h). Eighty-seven patients (median age 14 months; range 3.1-58.3) were analysed in an intention-to-treat approach. Forty-two patients took zinc and 45 placebo. There was no difference in the duration nor in the frequency of diarrhoea, but only 5% of the zinc group still had diarrhoea at 120 h of treatment compared to 20% in the placebo group (P = 0.05). Thirty-one patients (13 zinc and 18 placebo) were available for per-protocol analyses. The median (IQR) duration of diarrhoea in zinc-treated patients was 47.5 h (18.3-72) and differed significantly from the placebo group (median 76.3; IQR 52.8-137) (P = 0.03). The frequency of diarrhoea was also lower in the zinc group (P = 0.02). CONCLUSION: zinc treatment decreases the frequency and severity of diarrhoea in children aged 2 months to 5 years living in Switzerland. However, the intention-to-treat analysis reveals compliance issues that question the proper duration of treatment and the choice of optimal pharmaceutical formulation.

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.

Seismic characterization of heterogeneous sedimentary and fractured rocks based on Biot's theory of poroelasticity

Understanding and quantifying seismic energy dissipation, which manifests itself in terms of velocity dispersion and attenuation, in fluid-saturated porous rocks is of considerable interest, since it offers the perspective of extracting information with regard to the elastic and hydraulic rock properties. There is increasing evidence to suggest that wave-induced fluid flow, or simply WIFF, is the dominant underlying physical mechanism governing these phenomena throughout the seismic, sonic, and ultrasonic frequency ranges. This mechanism, which can prevail at the microscopic, mesoscopic, and macroscopic scale ranges, operates through viscous energy dissipation in response to fluid pressure gradients and inertial effects induced by the passing wavefield. In the first part of this thesis, we present an analysis of broad-band multi-frequency sonic log data from a borehole penetrating water-saturated unconsolidated glacio-fluvial sediments. An inherent complication arising in the interpretation of the observed P-wave attenuation and velocity dispersion is, however, that the relative importance of WIFF at the various scales is unknown and difficult to unravel. An important generic result of our work is that the levels of attenuation and velocity dispersion due to the presence of mesoscopic heterogeneities in water-saturated unconsolidated clastic sediments are expected to be largely negligible. Conversely, WIFF at the macroscopic scale allows for explaining most of the considered data while refinements provided by including WIFF at the microscopic scale in the analysis are locally meaningful. Using a Monte-Carlo-type inversion approach, we compare the capability of the different models describing WIFF at the macroscopic and microscopic scales with regard to their ability to constrain the dry frame elastic moduli and the permeability as well as their local probability distribution. In the second part of this thesis, we explore the issue of determining the size of a representative elementary volume (REV) arising in the numerical upscaling procedures of effective seismic velocity dispersion and attenuation of heterogeneous media. To this end, we focus on a set of idealized synthetic rock samples characterized by the presence of layers, fractures or patchy saturation in the mesocopic scale range. These scenarios are highly pertinent because they tend to be associated with very high levels of velocity dispersion and attenuation caused by WIFF in the mesoscopic scale range. The problem of determining the REV size for generic heterogeneous rocks is extremely complex and entirely unexplored in the given context. In this pilot study, we have therefore focused on periodic media, which assures the inherent self- similarity of the considered samples regardless of their size and thus simplifies the problem to a systematic analysis of the dependence of the REV size on the applied boundary conditions in the numerical simulations. Our results demonstrate that boundary condition effects are absent for layered media and negligible in the presence of patchy saturation, thus resulting in minimum REV sizes. Conversely, strong boundary condition effects arise in the presence of a periodic distribution of finite-length fractures, thus leading to large REV sizes. In the third part of the thesis, we propose a novel effective poroelastic model for periodic media characterized by mesoscopic layering, which accounts for WIFF at both the macroscopic and mesoscopic scales as well as for the anisotropy associated with the layering. Correspondingly, this model correctly predicts the existence of the fast and slow P-waves as well as quasi and pure S-waves for any direction of wave propagation as long as the corresponding wavelengths are much larger than the layer thicknesses. The primary motivation for this work is that, for formations of intermediate to high permeability, such as, for example, unconsolidated sediments, clean sandstones, or fractured rocks, these two WIFF mechanisms may prevail at similar frequencies. This scenario, which can be expected rather common, cannot be accounted for by existing models for layered porous media. Comparisons of analytical solutions of the P- and S-wave phase velocities and inverse quality factors for wave propagation perpendicular to the layering with those obtained from numerical simulations based on a ID finite-element solution of the poroelastic equations of motion show very good agreement as long as the assumption of long wavelengths remains valid. A limitation of the proposed model is its inability to account for inertial effects in mesoscopic WIFF when both WIFF mechanisms prevail at similar frequencies. Our results do, however, also indicate that the associated error is likely to be relatively small, as, even at frequencies at which both inertial and scattering effects are expected to be at play, the proposed model provides a solution that is remarkably close to its numerical benchmark. -- Comprendre et pouvoir quantifier la dissipation d'énergie sismique qui se traduit par la dispersion et l'atténuation des vitesses dans les roches poreuses et saturées en fluide est un intérêt primordial pour obtenir des informations à propos des propriétés élastique et hydraulique des roches en question. De plus en plus d'études montrent que le déplacement relatif du fluide par rapport au solide induit par le passage de l'onde (wave induced fluid flow en anglais, dont on gardera ici l'abréviation largement utilisée, WIFF), représente le principal mécanisme physique qui régit ces phénomènes, pour la gamme des fréquences sismiques, sonique et jusqu'à l'ultrasonique. Ce mécanisme, qui prédomine aux échelles microscopique, mésoscopique et macroscopique, est lié à la dissipation d'énergie visqueuse résultant des gradients de pression de fluide et des effets inertiels induits par le passage du champ d'onde. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons une analyse de données de diagraphie acoustique à large bande et multifréquences, issues d'un forage réalisé dans des sédiments glaciaux-fluviaux, non-consolidés et saturés en eau. La difficulté inhérente à l'interprétation de l'atténuation et de la dispersion des vitesses des ondes P observées, est que l'importance des WIFF aux différentes échelles est inconnue et difficile à quantifier. Notre étude montre que l'on peut négliger le taux d'atténuation et de dispersion des vitesses dû à la présence d'hétérogénéités à l'échelle mésoscopique dans des sédiments clastiques, non- consolidés et saturés en eau. A l'inverse, les WIFF à l'échelle macroscopique expliquent la plupart des données, tandis que les précisions apportées par les WIFF à l'échelle microscopique sont localement significatives. En utilisant une méthode d'inversion du type Monte-Carlo, nous avons comparé, pour les deux modèles WIFF aux échelles macroscopique et microscopique, leur capacité à contraindre les modules élastiques de la matrice sèche et la perméabilité ainsi que leur distribution de probabilité locale. Dans une seconde partie de cette thèse, nous cherchons une solution pour déterminer la dimension d'un volume élémentaire représentatif (noté VER). Cette problématique se pose dans les procédures numériques de changement d'échelle pour déterminer l'atténuation effective et la dispersion effective de la vitesse sismique dans un milieu hétérogène. Pour ce faire, nous nous concentrons sur un ensemble d'échantillons de roches synthétiques idéalisés incluant des strates, des fissures, ou une saturation partielle à l'échelle mésoscopique. Ces scénarios sont hautement pertinents, car ils sont associés à un taux très élevé d'atténuation et de dispersion des vitesses causé par les WIFF à l'échelle mésoscopique. L'enjeu de déterminer la dimension d'un VER pour une roche hétérogène est très complexe et encore inexploré dans le contexte actuel. Dans cette étude-pilote, nous nous focalisons sur des milieux périodiques, qui assurent l'autosimilarité des échantillons considérés indépendamment de leur taille. Ainsi, nous simplifions le problème à une analyse systématique de la dépendance de la dimension des VER aux conditions aux limites appliquées. Nos résultats indiquent que les effets des conditions aux limites sont absents pour un milieu stratifié, et négligeables pour un milieu à saturation partielle : cela résultant à des dimensions petites des VER. Au contraire, de forts effets des conditions aux limites apparaissent dans les milieux présentant une distribution périodique de fissures de taille finie : cela conduisant à de grandes dimensions des VER. Dans la troisième partie de cette thèse, nous proposons un nouveau modèle poro- élastique effectif, pour les milieux périodiques caractérisés par une stratification mésoscopique, qui prendra en compte les WIFF à la fois aux échelles mésoscopique et macroscopique, ainsi que l'anisotropie associée à ces strates. Ce modèle prédit alors avec exactitude l'existence des ondes P rapides et lentes ainsi que les quasis et pures ondes S, pour toutes les directions de propagation de l'onde, tant que la longueur d'onde correspondante est bien plus grande que l'épaisseur de la strate. L'intérêt principal de ce travail est que, pour les formations à perméabilité moyenne à élevée, comme, par exemple, les sédiments non- consolidés, les grès ou encore les roches fissurées, ces deux mécanismes d'WIFF peuvent avoir lieu à des fréquences similaires. Or, ce scénario, qui est assez commun, n'est pas décrit par les modèles existants pour les milieux poreux stratifiés. Les comparaisons des solutions analytiques des vitesses des ondes P et S et de l'atténuation de la propagation des ondes perpendiculaires à la stratification, avec les solutions obtenues à partir de simulations numériques en éléments finis, fondées sur une solution obtenue en 1D des équations poro- élastiques, montrent un très bon accord, tant que l'hypothèse des grandes longueurs d'onde reste valable. Il y a cependant une limitation de ce modèle qui est liée à son incapacité à prendre en compte les effets inertiels dans les WIFF mésoscopiques quand les deux mécanismes d'WIFF prédominent à des fréquences similaires. Néanmoins, nos résultats montrent aussi que l'erreur associée est relativement faible, même à des fréquences à laquelle sont attendus les deux effets d'inertie et de diffusion, indiquant que le modèle proposé fournit une solution qui est remarquablement proche de sa référence numérique.

Effect of partial-thickness tear on loading capacities of the supraspinatus tendon: a finite element analysis.

Partial-thickness tears of the supraspinatus tendon frequently occur at its insertion on the greater tubercule of the humerus, causing pain and reduced strength and range of motion. The goal of this work was to quantify the loss of loading capacity due to tendon tears at the insertion area. A finite element model of the supraspinatus tendon was developed using in vivo magnetic resonance images data. The tendon was represented by an anisotropic hyperelastic constitutive law identified with experimental measurements. A failure criterion was proposed and calibrated with experimental data. A partial-thickness tear was gradually increased, starting from the deep articular-sided fibres. For different values of tendon tear thickness, the tendon was mechanically loaded up to failure. The numerical model predicted a loss in loading capacity of the tendon as the tear thickness progressed. Tendon failure was more likely when the tendon tear exceeded 20%. The predictions of the model were consistent with experimental studies. Partial-thickness tears below 40% tear are sufficiently stable to persist physiotherapeutic exercises. Above 60% tear surgery should be considered to restore shoulder strength.

Impact of the Femoral Head Position on Moment Arms in Total Hip Arthroplasty: A Parametric Finite Element Study.

BACKGROUND: Although the importance of accurate femoral reconstruction to achieve a good functional outcome is well documented, quantitative data on the effects of a displacement of the femoral center of rotation on moment arms are scarce. The purpose of this study was to calculate moment arms after nonanatomical femoral reconstruction. METHODS: Finite element models of 15 patients including the pelvis, the femur, and the gluteal muscles were developed. Moment arms were calculated within the native anatomy and compared to distinct displacement of the femoral center of rotation (leg lengthening of 10 mm, loss of femoral offset of 20%, anteversion ±10°, and fixed anteversion at 15°). Calculations were performed within the range of motion observed during a normal gait cycle. RESULTS: Although with all evaluated displacements of the femoral center of rotation, the abductor moment arm remained positive, some fibers initially contributing to extension became antagonists (flexors) and vice versa. A loss of 20% of femoral offset led to an average decrease of 15% of abductor moment. Femoral lengthening and changes in femoral anteversion (±10°, fixed at 15°) led to minimal changes in abductor moment arms (maximum change of 5%). Native femoral anteversion correlated with the changes in moment arms induced by the 5 variations of reconstruction. CONCLUSION: Accurate reconstruction of offset is important to maintaining abductor moment arms, while changes of femoral rotation had minimal effects. Patients with larger native femoral anteversion appear to be more susceptible to femoral head displacements.