Geometry and physics of knots

KNOTS are usually categorized in terms of topological properties that are invariant under changes in a knot's spatial configuration(1-4). Here we approach knot identification from a different angle, by considering the properties of particular geometrical forms which we define as 'ideal'. For a knot with a given topology and assembled from a tube of uniform diameter, the ideal form is the geometrical configuration having the highest ratio of volume to surface area. Practically, this is equivalent to determining the shortest piece of tube that can be closed to form the knot. Because the notion of an ideal form is independent of absolute spatial scale, the length-to-diameter ratio of a tube providing an ideal representation is constant, irrespective of the tube's actual dimensions. We report the results of computer simulations which show that these ideal representations of knots have surprisingly simple geometrical properties. In particular, there is a simple linear relationship between the length-to-diameter ratio and the crossing number-the number of intersections in a two-dimensional projection of the knot averaged over all directions. We have also found that the average shape of knotted polymeric chains in thermal equilibrium is closely related to the ideal representation of the corresponding knot type. Our observations provide a link between ideal geometrical objects and the behaviour of seemingly disordered systems, and allow the prediction of properties of knotted polymers such as their electrophoretic mobility(5).

Geometry and physics of catenanes applied to the study of DNA replication.

The concept of ideal geometric configurations was recently applied to the classification and characterization of various knots. Different knots in their ideal form (i.e., the one requiring the shortest length of a constant-diameter tube to form a given knot) were shown to have an overall compactness proportional to the time-averaged compactness of thermally agitated knotted polymers forming corresponding knots. This was useful for predicting the relative speed of electrophoretic migration of different DNA knots. Here we characterize the ideal geometric configurations of catenanes (called links by mathematicians), i.e., closed curves in space that are topologically linked to each other. We demonstrate that the ideal configurations of different catenanes show interrelations very similar to those observed in the ideal configurations of knots. By analyzing literature data on electrophoretic separations of the torus-type of DNA catenanes with increasing complexity, we observed that their electrophoretic migration is roughly proportional to the overall compactness of ideal representations of the corresponding catenanes. This correlation does not apply, however, to electrophoretic migration of certain replication intermediates, believed up to now to represent the simplest torus-type catenanes. We propose, therefore, that freshly replicated circular DNA molecules, in addition to forming regular catenanes, may also form hemicatenanes.

A new approach to accurate measurement of uniaxial joint angles based on a combination of accelerometers and gyroscopes.

A new method of measuring joint angle using a combination of accelerometers and gyroscopes is presented. The method proposes a minimal sensor configuration with one sensor module mounted on each segment. The model is based on estimating the acceleration of the joint center of rotation by placing a pair of virtual sensors on the adjacent segments at the center of rotation. In the proposed technique, joint angles are found without the need for integration, so absolute angles can be obtained which are free from any source of drift. The model considers anatomical aspects and is personalized for each subject prior to each measurement. The method was validated by measuring knee flexion-extension angles of eight subjects, walking at three different speeds, and comparing the results with a reference motion measurement system. The results are very close to those of the reference system presenting very small errors (rms = 1.3, mean = 0.2, SD = 1.1 deg) and excellent correlation coefficients (0.997). The algorithm is able to provide joint angles in real-time, and ready for use in gait analysis. Technically, the system is portable, easily mountable, and can be used for long term monitoring without hindrance to natural activities.

Geometry, petrology and growth of a shallow crustal laccolith : the Torres del Paine Mafic Complex (Patagonia)

1. ABSTRACTS - RÉSUMÉSSCIENTIFIC ABSTRACT - ENGLISH VERSIONGeometry, petrology and growth of a shallow crustal laccolith: the Torres del Paine Mafi c Complex (Patagonia)The Torres del Paine intrusive complex (TPIC) is a composite mafic-granitic intrusion, ~70km2, belonging to a chain of isolated Miocene plutons in southern Patagonia. Their position is intermediate between the Mesozoic-Cenozoic calc-alkaline subduction related Patagonian batholith in the West and the late Cenozoic alkaline basaltic back-arc related plateau lavas in the East. The Torres del Paine complex formed during an important reconfiguration of the Patagonian geodynamic setting, with a migration of magmatism from the arc to the back-arc, possibly related to the Chile ridge subductionThe complex intruded the flysch of the Cretaceous Cerro Toro and Punta Barrosa Formations during the Miocene, creating a well-defined narrow contact aureole of 200-400 m width.In its eastern part, the Torres del Paine intrusive complex is a laccolith, composed of a succession of hornblende-gabbro to diorite sills at its base, with a total thickness of ~250m, showing brittle contacts with the overlying granitic sills, that form spectacular cliffs of more than 1000m. This laccolith is connected, in the western part, to its feeding system, with vertical alternating sheets of layered gabbronorite and Hbl-gabbro, surrounded and percolated by diorites. ID-TIMS U-Pb on zircons on feeder zone (FZ) gab- bros yield 12.593±0.009Ma and 12.587±0.009Ma, which is identifcal within error to the oldest granite dated so far by Michel et al. (2008). In contrast, the laccolith mafic complex is younger than than the youngest granite (12.50±0.02Ma), and has been emplaced from 12.472±0.009Ma to 12.431 ±0.006Ma, by under-accretion beneath the youngest granite at the interface with previously emplaced mafic sills.The gabbronorite crystallization sequence in the feeder zone is dominated by olivine, plagioclase, clinopyroxene and orthopyroxene, while amphibole forms late interstitial crystals. The crystallization sequence is identical in Hornblende-gabbro from the feeder zone, with higher modal hornblende. Gabbronorite and Hornblende-gabbro both display distinct Eu and Sr positive anomalies. In the laccolith, a lower Hornblende-gabbro crystallized in sills and evolved to a high alkali shoshonitic series. The Al203, Ti02, Na20, K20, Ba and Sr composition of these gabbros is highly variable and increases up to ~50wt% Si02. The lower hornblende-gabbro is characterized by kaersutite anhedral cores with inclusions of olivine, clino- and orthopyroxene and rare apatite and An70 plagioclase. Trace element modelling indicates that hornblende and clinopyroxene are in equilibrium with a liquid whose composition is similar to late basaltic trachyandesitic dikes that cut the complex. The matrix in the lower hornblende gabbro is composed of normally zoned oligoclase, Magnesio-hornblende, biotite, ilmenite and rare quartz and potassium feldspar. This assemblage crystallized in-situ from a Ba and Sr-depleted melts. In contrast, the upper Hbl-gabbro is high-K calc-alkaline. Poikilitic pargasite cores have inclusions of euhedral An70 plagioclase inclusions, and contain occasionally clinopyroxene, olivine and orthopyroxene. The matrix composition is identical to the lower hornblende-gabbro and similar to the diorite. Diorite bulk rock compositions show the same mineralogy but different modal proportions relative to hornblende-gabbrosThe Torres del Paine Intrusive Complex isotopic composition is 87Sr/86Sr=0.704, 143Nd/144Nd=0.5127, 206Pb/204Pb=18.70 and 207Pb/204Pb=15.65. Differentiated dioritic and granitic units may be linked to the gabbroic cumulates series, with 20-50% trapped interstitial melt, through fractionation of olivine-bearing gabbronorite or hornblende-gabbro fractionation The relative homogeneity of the isotopic compositions indicate that only small amounts of assimilation occurred. Two-pyroxenes thermometry, clinopyroxene barometry and amphibole-plagioclase thermometry was used to estimate pressure and temperature conditions. The early fractionation of ultramafic cumulates occurs at mid to lower crustal conditions, at temperatures exceeding 900°C. In contrast, the TPIC emplacement conditions have been estimated to ~0.7±0.5kbar and 790±60°C.Based on field and microtextural observations and geochemical modelling, fractionation of basaltic-trachyandesitic liquids at intermediate to lower crustal levels, has led to the formation of the Torres del Paine granites. Repetitive replenishment of basaltic trachy- andesitic liquid in crustal reservoirs led to mixed magmas that will ascend via the feeder zone, and crystallize into a laccolith, in the form of successive dioritic and gabbroic sills. Dynamic fractionation during emplacement concentrated hornblende rich cumulates in the center of individual sills. Variable degrees.of post-emplacement compaction led to the expulsion of felsic liquids that preferentially concentrated at the top of the sills. Incremental sills amalgamation of the entire Torres del Paine Intrusive Complex has lasted for ~160ka.RESUME SCIENTIFIQUE - VERSION FRANÇAISEGéométrie, pétrologie et croissance d'un laccolite peu profond : Le complexe ma- fique du Torres del Paine (Patagonie)Le Complexe Intrusif du Torres del Paine (CITP) est une intrusion bimodale, d'environ 70km2, appartenant à une chaîne de plutons Miocènes isolés, dans le sud de la Patago-nie. Leur position est intermédiaire entre le batholite patagonien calco-alcalin, à l'Ouest, mis en place au Mesozoïque-Cenozoïque dans un contexte de subduction, et les basal-tes andésitiques et trachybasaltes alcalins de plateau, plus jeune, à l'Est, lié à l'ouverture d'un arrière-arc.A son extrémité Est, le CITP est une succession de sills de gabbro à Hbl et de diorite, sur une épaisseur de ~250m, avec des évidences de mélange. Les contacts avec les sills de granite au-dessus, formant des parois de plus de 1000m, sont cassants. Ce laccolite est connecté, dans sa partie Ouest, à une zone d'alimentation, avec des intrusions sub-ver- ticales de gabbronorite litée et de gabbro à Hbl, en alternance. Celles-ci sont traversées et entourées par des diorites. Les zircons des gabbros de la zone d'alimentation, datés par ID-TIMS, ont cristallisés à 12.593±0.009Ma et 12.587±0.009Ma, ce qui correspond au plus vieux granite daté à ce jour par Michel et al. (2008). A l'inverse, les roches manques du laccolite se sont mises en place entre 12.472±0.009Ma et 12.431 ±0.006Ma, par sous-plaquage successifs à l'interface avec le granite le plus jeune daté à ce jour (12.50±0.02Ma).La séquence de cristallisation des gabbronorites est dominée par Ol, Plg, Cpx et Opx, alors que la Hbl est un cristal interstitiel. Elle est identique dans les gabbros à Hbl de la zone d'alimentation, avec ~30%vol de Hbl. Les gabbros de la zone d'alimentation montrent des anomalies positives en Eu et Sr distinctes. Dans le laccolite, le gabbro à Hbl inférieur évolue le long d'une série shoshonitique, riche en éléments incompatibles. Sa concentration en Al203, Ti02, Na20, K20, Ba et Sr est très variable et augmente rapide-ment jusqu'à ~50wt% Si02. Il est caractérisé par la présence de coeurs résorbés de kaer- sutite, entourés de Bt, et contenant des inclusions d'OI, Cpx et Opx, ou alors d'Ap et de rares Plg (An70). Hbl et Cpx ont cristallisés à partir d'un liquide de composition similaire aux dykes trachy-andesite basaltique du CITP. La matrice, cristallisée in-situ à partir d'un liquide pauvre en Ba et Sr, est composée d'oligoclase zoné de façon simple, de Mg-Hbl, Bt, llm ainsi que de rares Qtz et KF. Le gabbro à Hbl supérieur, quant à lui, appartient à une suite chimique calco-alcaline riche en K. Des coeurs poecilitiques de pargasite con-tiennent de nombreuses inclusions de Plg (An70) automorphe, ainsi que des Ol, Cpx et Opx. La composition de la matrice est identique à celle des gabbros à Hbl inférieurs et toutes deux sont similaires à la minéralogie des diorites. Les analyses sur roches totales de diorites montrent la même variabilité que celles de gabbros à Hbl, mais avec une ten-eur en Si02 plus élevée.La composition isotopique des liquides primitifs du CITP a été mesurée à 87Sr/86Sr=0.704, 143Nd/144Nd=0.5127, 206Pb/204Pb=18.70 et 207Pb/204Pb=15.65. Les granites et diorites différenciés peuvent être reliés à des cumulais gabbronoritiques (F=0.74 pour les granites et F=1-0.5 pour les diorites) et gabbroïques à Hbl (fractionnement supplémentaire pour les granites, avec F=0.3). La cristallisation de 20 à 50%vol de liquide interstitiel piégé dans les gabbros du CITP explique leur signature géochimique. Seules de faibles quantités de croûte continentale ont été assimilées. La température et la pression de fractionnement ont été estimées, sur la base des thermobaromètres Opx-Cpx, Hbl-Plg et Cpx, à plus de 900°C et une profondeur correspondant à la croûte inférieure-moyenne. A l'inverse, les conditions de cristallisation de la matrice des gabbros et diorites du laccolite ont été estimées à 790±60°C et ~0.7±0.5kbar.Je propose que les liquides felsiques du CITP se soient formés par cristallisation frac-tionnée en profondeur des assemblages minéralogiques observés dans les gabbros du CITP, à partir d'un liquide trachy-andesite basaltique. La percolation de magma dans les cristaux accumulés permet la remontée du mélange à travers la zone d'alimentation, vers le laccolite, où des sills se mettent en place successivement. L'amalgamation de sills dans le CITP a duré ~160ka.Le CITP s'est formé durant une reconfiguration importante du contexte géodynamique en Patagonie, avec un changement du magmatisme d'arc vers un volcanisme d'arrière- arc. Ce changement est certainement lié à la subduction de la ride du Chili.RESUME GRAND PUBLIC - VERSION FRANÇAISEGéométrie, pétrologie et croissance d'une chambre magmatique peu profonde : Le complexe mafique du Torres del Paine (Patagonie)Le pourtour de l'Océan Pacifique est caractérisé par une zone de convergence de plaques tectoniques, appelée zone de subduction, avec le plongement de croûte océa-nique sous les Andes dans le cas de la Patagonie. De nombreux volcans y sont associés, formant la ceinture de feu. Mais seuls quelques pourcents de tout le magma traversant la croûte terrestre parviennent à la surface et la majeure partie cristallise en profondeur, dans des chambres magmatiques. Quelles est leur forme, croissance, cristallisation et durée de vie ? Le complexe magmatique du Torres del Paine représente l'un des meilleurs endroits au monde pour répondre à ces questions. Il se situe au sud de la Patagonie, formant un massif de 70km2. Des réponses peuvent être trouvées à différentes échelles, variant de la montagne à des minéraux de quelques 1000ème de millimètres.Il est possible de distinguer trois types de roches : des gabbros et des diorites sur une épaisseur de 250m, surmontées par des parois de granite de plus de 1000m. Les contacts entre ces roches sont tous horizontaux. Entre granites et gabbro-diorite, le contact est net, indiquant que le second magma s'est mis en place au contact avec un magma plus ancien, totalement solidifié. Entre gabbros et diorites, les contacts sont diffus, souvent non-linéaires, indiquant à l'inverse la mise en contact de magmas encore partiellement liquides. Dans la partie Ouest de cette chambre magmatique, les contacts entre roches sont verticaux. Il s'agit certainement du lieu de remplissage de la chambre magmatique.Lors du refroidissement d'un magma, différents cristaux vont se former. Leur stabilité et leur composition varient en fonction de la pression, de la température ou de la chimie du magma. La séquence de cristallisation peut être définie sur la base d'observations microscopiques et de la composition chimique des minéraux. Différents gabbros sont ainsi distingués : le gabbro à la base est riche en hornblende, d'une taille de ~5mm, sans inclusion de plagioclase mais avec des cristaux d'olivine, clinopyroxene et orthopyroxene inclus ; le gabbro supérieur est lui-aussi riche en hornblende (~5mm), avec les mêmes inclusions additionnées de plagioclase. Ces cristaux se sont formés à une température supérieure à 900°C et une profondeur correspondant à la croûte moyenne ou inférieure. Les minéraux plus fin, se trouvant hors des cristaux de hornblende des deux gabbros, sont similaires à ceux des diorites : plagioclase, biotite, hornblende, apatite, quartz et feldspath alcalin. Ces minéraux sont caractéristiques des granites. Ils ont cristallisé à ~790°C et ~2km de profondeur.La cristallisation des minéraux et leur extraction du magma par gravité provoque un changement progressif de la composition de ce dernier. Ainsi, après extraction d'olivine et d'orthopyroxene riches en Mg, de clinopyroxene riche en Ca, de plagioclase riche en Ca et Al et d'hornblende riche en Ca, Al et Mg, le liquide final sera appauvri en ces élé-ments. Un lien peut ainsi être proposé entre les diorites dont la composition est proche du liquide de départ, les granites dont la composition est similaire au liquide final, et les gabbros dont la minéralogie correspond aux minéraux extraits.L'utilisation de zircons, un minéral riche en U dont les atomes se transforment en Pb par décomposition radioactive au cours de millions d'années, permet de dater le refroidissement des roches qui les contiennent. Ainsi, il a été observé que les roches de la zone d'alimentation, à l'Ouest du complexe magmatique, ont cristallisés il y a 12.59±0.01 Ma, en même temps que les granites les plus vieux, se trouvant au sommet de la chambre magmatique, datés par Michel et al. (2008). Les deux roches pourraient donc avoir la même origine. A l'inverse, les gabbros et diorites de la chambre magmatique ont cristallisé entre 12.47±0.01Ma et 12.43±0.01Ma, les roches les plus vieilles étant à la base.En comparant la composition des roches du Torres del Paine avec celles d'autres en-tités géologiques de Patagonie, les causes du magmatisme peuvent être recherchées. A l'Ouest, on trouve en effet des intrusions granitiques, plus anciennes, caractéristiques de zones de convergence de plaque tectonique, alors qu'à l'Est, des laves basaltiques plus jeunes sont caractéristiques d'une dynamique d'extension. Sur la base des compositions chimiques des roches de ces différentes entités, l'évolution progressive de l'une à l'autre a pu être démontrée. Elle est certainement due à l'arrivée d'une dorsale océanique (zone d'extension crustale et de création de croûte océanique par la remontée de magma) dans la zone de subduction, le long des Andes.Je propose que, dans un premier temps, des magmas granitiques sont remontés dans la chambre magmatique, laissant d'importants volumes de cristaux dans la croûte pro-fonde. Dans un second épisode, les cristaux formés en profondeur ont été transportés à travers la croûte continentale, suite au mélange avec un nouveau magma injecté. Ces magmas chargés de cristaux ont traversé la zone d'alimentation avant de s'injecter dans la chambre magmatique. Différents puises ont été distingués, injectés dans la chambre magmatique du sommet à la base concernant les granites, puis à la base du granite le plus jeune pour les gabbros et diorites. Le complexe magmatique du Torres del Paine s'est construit sur une période totale de 160'000±20'000 ans.

Are the light-harvesting I complexes from Rhodospirillum rubrum arranged around the reaction centre in a square geometry?

The basic photosynthetic unit containing the reaction centre and the light-harvesting I complex (RC-LHI) of the purple non-sulphur bacterium Rhodospirillum rubrum was purified and reconstituted into two-dimensional (2D) membrane crystals. Transmission electron microscopy using conventional techniques and cryoelectron microscopy of the purified single particles and of 2D crystals yielded a projection of the RC-LHI complex at a resolution of at least 1.6 nm. In this projection the LHI ring appears to have a square symmetry and packs in a square crystal lattice. The square geometry of the LHI ring was observed also in images of single isolated particles of the RC-LHI complex. However, although the LHI units are packed identically within the crystal lattice, a new rotational analysis developed here showed that the reaction centres take up one of four possible orientations within the ring. This fourfold disorder supports our interpretation of a square ring symmetry and suggests that a hitherto undetected component may be present within the photosynthetic unit.

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.

Characterisation of the PSI whole body counter by radiographic imaging.

A joint project between the Paul Scherrer Institut (PSI) and the Institute of Radiation Physics was initiated to characterise the PSI whole body counter in detail through measurements and Monte Carlo simulation. Accurate knowledge of the detector geometry is essential for reliable simulations of human body phantoms filled with known activity concentrations. Unfortunately, the technical drawings provided by the manufacturer are often not detailed enough and sometimes the specifications do not agree with the actual set-up. Therefore, the exact detector geometry and the position of the detector crystal inside the housing were determined through radiographic images. X-rays were used to analyse the structure of the detector, and (60)Co radiography was employed to measure the core of the germanium crystal. Moreover, the precise axial alignment of the detector within its housing was determined through a series of radiographic images with different incident angles. The hence obtained information enables us to optimise the Monte Carlo geometry model and to perform much more accurate and reliable simulations.

Gravity-driven slug motion in capillary tubes

The velocity of a liquid slug falling in a capillary tube is lower than predicted for Poiseuille flow due to presence of menisci, whose shapes are determined by the complex interplay of capillary, viscous, and gravitational forces. Due to the presence of menisci, a capillary pressure proportional to surface curvature acts on the slug and streamlines are bent close to the interface, resulting in enhanced viscous dissipation at the wedges. To determine the origin of drag-force increase relative to Poiseuille flow, we compute the force resultant acting on the slug by integrating Navier-Stokes equations over the liquid volume. Invoking relationships from differential geometry we demonstrate that the additional drag is due to viscous forces only and that no capillary drag of hydrodynamic origin exists (i.e., due to hydrodynamic deformation of the interface). Requiring that the force resultant is zero, we derive scaling laws for the steady velocity in the limit of small capillary numbers by estimating the leading order viscous dissipation in the different regions of the slug (i.e., the unperturbed Poiseuille-like bulk, the static menisci close to the tube axis and the dynamic regions close to the contact lines). Considering both partial and complete wetting, we find that the relationship between dimensionless velocity and weight is, in general, nonlinear. Whereas the relationship obtained for complete-wetting conditions is found in agreement with the experimental data of Bico and Quere [J. Bico and D. Quere, J. Colloid Interface Sci. 243, 262 (2001)], the scaling law under partial-wetting conditions is validated by numerical simulations performed with the Volume of Fluid method. The simulated steady velocities agree with the behavior predicted by the theoretical scaling laws in presence and in absence of static contact angle hysteresis. The numerical simulations suggest that wedge-flow dissipation alone cannot account for the entire additional drag and that the non-Poiseuille dissipation in the static menisci (not considered in previous studies) has to be considered for large contact angles.

Nappe geometry in the Western Swiss Alps

Detailed geological mapping during the last 20 years in the Western Swiss Alps has shown clearly that most of the lower basement nappes are fold nappes possessing normal and inverted limbs. Moreover their cores are made of strongly deformed gneisses indicating that important ductile strain took place during the formation of the fold nappes. It is therefore probably wrong to imagine deep basement nappes as rigid slices as often actually claimed, especially when interpreting seismic profiles. True `brittle type' thrust nappes involving basement rocks only occur in the internal and upper parts of the belt. Cover nappes, on the contrary, are in most parts of the Alpine belt thrust sheets following more or less the rules of thin-skinned tectonics. Many basement fold nappes lost part of their sedimentary cover during or just before their formation, by decollement along ductile horizons. The result is that many cover thrust nappes in the external part of the Alps are directly related to their original basement fold nappes.

Experimental and clinical radiofrequency ablation: proposal for standardized description of coagulation size and geometry.

BACKGROUND: Radiofrequency (RF) ablation is used to obtain local control of unresectable tumors in liver, kidney, prostate, and other organs. Accurate data on expected size and geometry of coagulation zones are essential for physicians to prevent collateral damage and local tumor recurrence. The aim of this study was to develop a standardized terminology to describe the size and geometry of these zones for experimental and clinical RF. METHODS: In a first step, the essential geometric parameters to accurately describe the coagulation zones and the spatial relationship between the coagulation zones and the electrodes were defined. In a second step, standard terms were assigned to each parameter. RESULTS: The proposed terms for single-electrode RF ablation include axial diameter, front margin, coagulation center, maximal and minimal radius, maximal and minimal transverse diameter, ellipticity index, and regularity index. In addition a subjective description of the general shape and regularity is recommended. CONCLUSIONS: Adoption of the proposed standardized description method may help to fill in the many gaps in our current knowledge of the size and geometry of RF coagulation zones.

Développement et validation d'une méthode de calcul indépendant des unités moniteur basée sur les simulations Monte Carlo pour la vérification des traitements IMRT

Résumé : La radiothérapie par modulation d'intensité (IMRT) est une technique de traitement qui utilise des faisceaux dont la fluence de rayonnement est modulée. L'IMRT, largement utilisée dans les pays industrialisés, permet d'atteindre une meilleure homogénéité de la dose à l'intérieur du volume cible et de réduire la dose aux organes à risque. Une méthode usuelle pour réaliser pratiquement la modulation des faisceaux est de sommer de petits faisceaux (segments) qui ont la même incidence. Cette technique est appelée IMRT step-and-shoot. Dans le contexte clinique, il est nécessaire de vérifier les plans de traitement des patients avant la première irradiation. Cette question n'est toujours pas résolue de manière satisfaisante. En effet, un calcul indépendant des unités moniteur (représentatif de la pondération des chaque segment) ne peut pas être réalisé pour les traitements IMRT step-and-shoot, car les poids des segments ne sont pas connus à priori, mais calculés au moment de la planification inverse. Par ailleurs, la vérification des plans de traitement par comparaison avec des mesures prend du temps et ne restitue pas la géométrie exacte du traitement. Dans ce travail, une méthode indépendante de calcul des plans de traitement IMRT step-and-shoot est décrite. Cette méthode est basée sur le code Monte Carlo EGSnrc/BEAMnrc, dont la modélisation de la tête de l'accélérateur linéaire a été validée dans une large gamme de situations. Les segments d'un plan de traitement IMRT sont simulés individuellement dans la géométrie exacte du traitement. Ensuite, les distributions de dose sont converties en dose absorbée dans l'eau par unité moniteur. La dose totale du traitement dans chaque élément de volume du patient (voxel) peut être exprimée comme une équation matricielle linéaire des unités moniteur et de la dose par unité moniteur de chacun des faisceaux. La résolution de cette équation est effectuée par l'inversion d'une matrice à l'aide de l'algorithme dit Non-Negative Least Square fit (NNLS). L'ensemble des voxels contenus dans le volume patient ne pouvant être utilisés dans le calcul pour des raisons de limitations informatiques, plusieurs possibilités de sélection ont été testées. Le meilleur choix consiste à utiliser les voxels contenus dans le Volume Cible de Planification (PTV). La méthode proposée dans ce travail a été testée avec huit cas cliniques représentatifs des traitements habituels de radiothérapie. Les unités moniteur obtenues conduisent à des distributions de dose globale cliniquement équivalentes à celles issues du logiciel de planification des traitements. Ainsi, cette méthode indépendante de calcul des unités moniteur pour l'IMRT step-andshootest validée pour une utilisation clinique. Par analogie, il serait possible d'envisager d'appliquer une méthode similaire pour d'autres modalités de traitement comme par exemple la tomothérapie. Abstract : Intensity Modulated RadioTherapy (IMRT) is a treatment technique that uses modulated beam fluence. IMRT is now widespread in more advanced countries, due to its improvement of dose conformation around target volume, and its ability to lower doses to organs at risk in complex clinical cases. One way to carry out beam modulation is to sum smaller beams (beamlets) with the same incidence. This technique is called step-and-shoot IMRT. In a clinical context, it is necessary to verify treatment plans before the first irradiation. IMRT Plan verification is still an issue for this technique. Independent monitor unit calculation (representative of the weight of each beamlet) can indeed not be performed for IMRT step-and-shoot, because beamlet weights are not known a priori, but calculated by inverse planning. Besides, treatment plan verification by comparison with measured data is time consuming and performed in a simple geometry, usually in a cubic water phantom with all machine angles set to zero. In this work, an independent method for monitor unit calculation for step-and-shoot IMRT is described. This method is based on the Monte Carlo code EGSnrc/BEAMnrc. The Monte Carlo model of the head of the linear accelerator is validated by comparison of simulated and measured dose distributions in a large range of situations. The beamlets of an IMRT treatment plan are calculated individually by Monte Carlo, in the exact geometry of the treatment. Then, the dose distributions of the beamlets are converted in absorbed dose to water per monitor unit. The dose of the whole treatment in each volume element (voxel) can be expressed through a linear matrix equation of the monitor units and dose per monitor unit of every beamlets. This equation is solved by a Non-Negative Least Sqvare fif algorithm (NNLS). However, not every voxels inside the patient volume can be used in order to solve this equation, because of computer limitations. Several ways of voxel selection have been tested and the best choice consists in using voxels inside the Planning Target Volume (PTV). The method presented in this work was tested with eight clinical cases, which were representative of usual radiotherapy treatments. The monitor units obtained lead to clinically equivalent global dose distributions. Thus, this independent monitor unit calculation method for step-and-shoot IMRT is validated and can therefore be used in a clinical routine. It would be possible to consider applying a similar method for other treatment modalities, such as for instance tomotherapy or volumetric modulated arc therapy.