Image quality assessment in digital mammography: part I. Technical characterization of the systems.

In many European countries, image quality for digital x-ray systems used in screening mammography is currently specified using a threshold-detail detectability method. This is a two-part study that proposes an alternative method based on calculated detectability for a model observer: the first part of the work presents a characterization of the systems. Eleven digital mammography systems were included in the study; four computed radiography (CR) systems, and a group of seven digital radiography (DR) detectors, composed of three amorphous selenium-based detectors, three caesium iodide scintillator systems and a silicon wafer-based photon counting system. The technical parameters assessed included the system response curve, detector uniformity error, pre-sampling modulation transfer function (MTF), normalized noise power spectrum (NNPS) and detective quantum efficiency (DQE). Approximate quantum noise limited exposure range was examined using a separation of noise sources based upon standard deviation. Noise separation showed that electronic noise was the dominant noise at low detector air kerma for three systems; the remaining systems showed quantum noise limited behaviour between 12.5 and 380 µGy. Greater variation in detector MTF was found for the DR group compared to the CR systems; MTF at 5 mm(-1) varied from 0.08 to 0.23 for the CR detectors against a range of 0.16-0.64 for the DR units. The needle CR detector had a higher MTF, lower NNPS and higher DQE at 5 mm(-1) than the powder CR phosphors. DQE at 5 mm(-1) ranged from 0.02 to 0.20 for the CR systems, while DQE at 5 mm(-1) for the DR group ranged from 0.04 to 0.41, indicating higher DQE for the DR detectors and needle CR system than for the powder CR phosphor systems. The technical evaluation section of the study showed that the digital mammography systems were well set up and exhibiting typical performance for the detector technology employed in the respective systems.

Characterization of the effects of IL-17F on CHO cell line generation

CHO is the most commonly used mammalian host for the generation of cell lines allowing for the production of high quality therapeutic proteins. The generation of such cell lines is a lengthy and resource-intensive process requiring extensive screening in order to isolate candidates with optimal characteristics, such as growth, stability and productivity. For this reason, the biotechnology industry invests much effort in attempts to optimize CHO expression systems in order to streamline and shorten the cell line selection process. Based on preliminary observations of a facilitated selection of CHO-GS cell lines expressing members of the IL-17 cytokine family, this study investigates the use of IL-17F as a novel enhancing factor for CHO cell line generation. Using two different CHO expression systems (exploiting GS and DHFR-based selection), we demonstrated that IL-17F expression caused a significant increase in the occurrence of colonies during the selection process. All colonies selected produced substantial amounts of IL-17F, suggesting that benefits were conferred, during selection, to those cells expressing the cytokine. Furthermore, transgene expression levels were significantly increased when the selection pressure was raised to a level that would not normally be permissive for colony selection (i.e. 100 |o.M MSX for the CHO-GS expression system or 1000 nM MTX for the CHO-DHFR system). Finally, IL-17F expression was also found to enhance the rate of appearance of clones during single cell subcloning in the absence of selection pressure. Overall, these benefits have the potential to allow a substantial reduction in the length of cell line generation while significantly increasing cell line productivity. Nevertheless, we found that the high IL-17F expression levels required to convey enhancing effects was a limitation when attempting to co-express IL-17F and a recombinant soluble protein of therapeutic interest from independent CMV promoters within the same expression vector. In order to understand and overcome this limitation, studies were designed to characterize the IL-17F enhancing effect at the molecular and cellular level. Regular supplementation of recombinant biologically-active IL-17F into the culture medium during cell line selection was not able to reproduce the enhancing effects of endogenous IL-17F expression. In addition, increased IL-17F expression correlated with increased CHO-GS selection transgene expression at the single cell level. This data suggested a possible effect of IL-17F on viral promoter activity or transgene mRNA stability. It also provided direct evidence that the cells expressing the highest amounts of IL-17F obtained the most benefit. Overall data obtained from these study implied that IL-17F may act through an intracellular mechanism, possibly exerted during secretion. We therefore initiated experiments designed to determine the specific compartment(s) within which IL-17F triggers its effect. This work has identified IL-17F as a potentially powerful tool to optimize the CHO cell line generation process. The characterization of this enhancing effect at the molecular level has given us several insights into overcoming the current limitations, thus paving the way for the development of a viable technology that can be exploited within the biotechnology industry. - La CHO est la cellule hôte de mammifere la plus couramment utilisée dans la création de lignée cellulaire produisant des protéines thérapeutiques de haute qualité. La génération de ces lignées cellulaires est un processus long et exigeant l'utilisation de techniques de sélection robustes afin d'isoler des candidats possédants les caractéristiques optimales de croissance, de productivité et de stabilité d'expression. Les industries biopharmaceutiques ont investi beaucoup d'efforts afin d'optimiser les systèmes d'expression CHO dans le but raccourcir la longueur du procédé de sélection de lignées cellulaires et aussi d'en augmenter l'efficacité. A partir d'observations préliminaires obtenues lors de la génération de lignées cellulaires CHO- GS exprimant une cytokine appartenant à la famille des IL-17, nous avons réalisé une étude portant sur l'utilisation de l'IL-17F humaine (IL-17F) comme nouveau facteur d'optimisation pour la génération de lignées cellulaires CHO. Nous avons démontré, en utilisant les deux systèmes de sélection et d'expression CHO couramment utilisés (le premier exploitant la GS et l'autre basée sur la DHFR), que l'expression de l'IL-17F permet une augmentation significative de la fréquence d'apparition de colonies durant le processus de sélection de lignées cellulaires. Les différentes colonies sélectionnées expriment des quantités substantielles d'IL-17F, suggérant un effet bénéfique lors de la sélection qui serait exclusivement conféré aux cellules exprimant la cytokine. En outre, le niveau d'expression du transgene se trouve significativement augmenté lorsque la pression de sélection est portée à un niveau habituellement trop élevé pour permettre la sélection de colonies (soit 100 |JM MSX pour le système d'expression CHO-GS ou 1000 nM MTX pour le système CHO- DHFR). Enfin, l'expression d'IL-17F permet également d'améliorer la vitesse d'apparition de clones pendant une étape de sous-clonage en l'absence de pression de sélection. L'ensemble de ces effets bénéfiques permettent une réduction substantielle de la durée de génération de lignées cellulaires tout en augmentant considérablement la productivité des lignées obtenues. Néanmoins, nous avons constaté que la nécessité d'exprimer des niveaux élevés d'IL-17F afin obtenir l'ensemble de ses effets bénéfiques devient une contrainte lors de l'utilisation d'un vecteur d'expression composé de deux promoteurs CMV indépendants pour la co-expression de la cytokine et d'une protéine soluble présentant un intérêt thérapeutique. Afin de mieux comprendre et de surmonter cette limitation, plusieurs études ont été effectuées dans le but de mieux caractériser l'effet de IL-17F au niveau subcellulaire. L'apport régulier en IL-17F recombinante et biologiquement active dans le milieu de culture lors de la sélection de lignées cellulaires ne permet pas de reproduire les effets bénéfiques observés par l'expression endogène d'IL-17F. En outre, nous avons constaté que, lors de l'utilisation du système CHO- GS, l'augmentation d'expression de 1TL-17F est corrélée à un accroissement de l'expression du marqueur de sélection au niveau cellulaire. Ces résultats suggèrent un possible effet d'IL- 17F sur l'activité des promoteurs viraux et ainsi fournissent une preuve directe que les cellules exprimant de haut niveau d'IL-17F sont celles qui en profitent le plus. L'ensemble de ces observations mettrait en avant que l'effet d'IL-17F se ferait selon un mécanisme intracellulaire. Nous avons donc étudié le(s) compartiment(s) spécifique(s) dans lequel IL-17F pourrait exercer son effet. Ce travail a permis de définir IL-17F comme un puissant outil pour l'optimisation des procédés de génération de lignées cellulaires CHO. La caractérisation de cette amélioration de l'effet au niveau moléculaire nous a donné plusieurs indications sur la manière de dépasser les limitations actuelles, ouvrant ainsi la voie au développement d'une technologie viable qui peut être exploitée pars l'industrie biotechnologique.

Characterization of lead-recycling facility emissions at various workplaces : major insights for sanitary risks assessment

Most available studies on lead smelter emissions deal with the environmental impact of outdoor particles, but only a few focus on air quality at workplaces. The objective of this study is to physically and chemically characterize the Pb-rich particles emitted at different workplaces in a lead recycling plant. A multi-scale characterization was conducted from bulk analysis to the level of individual particles, to assess the particles properties in relation with Pb speciation and availability. Process PM from various origins were sampled and then compared; namely Furnace and Refining PM respectively present in the smelter and at refinery workplaces, Emissions PM present in channeled emissions.These particles first differed by their morphology and size distribution, with finer particles found in emissions. Differences observed in chemical composition could be explained by the industrial processes. All PM contained the same major phases (Pb, PbS, PbO, PbSO4 and PbO·PbSO4) but differed on the nature and amount of minor phases. Due to high content in PM, Pb concentrations in the CaCl2 extractant reached relatively high values (40 mg.L-1). However, the ratios (soluble/total) of CaCl2 exchangeable Pb were relatively low (< 0.02%) in comparison with Cd (up to 18%). These results highlight the interest to assess the soluble fractions of all metals (minor and major) and discuss both total metal concentrations and ratios for risk evaluations. In most cases metal extractability increased with decreasing size of particles, in particular, lead exchangeability was highest for channeled emissions. Such type of study could help in the choice of targeted sanitary protection procedures and for further toxicological investigations. In the present context, particular attention is given to Emissions and Furnace PM. Moreover, exposure to other metals than Pb should be considered. [Authors]

Characterization of olive oil by carbon isotope analysis of individual fatty acids: Implications for authentication

The fatty acids of olive oils of distinct quality grade from the most important European Union (EU) producer countries were chemically and isotopically characterized. The analytical approach utilized combined capillary column gas chromatography-mass spectrometry (GC/MS) and the novel technique of compound-specific isotope analysis (CSIA) through gas chromatography coupled to a stable isotope ratio mass spectrometer (IRMS) via a combustion (C) interface (GC/C/IRMS). This approach provides further insights into the control of the purity and geographical origin of oils sold as cold-pressed extra virgin olive oil with certified origin appellation. The results indicate that substantial enrichment in heavy carbon isotope (C-13) of the bulk oil and of individual fatty acids are related to (1) a thermally induced degradation due to deodorization or steam washing of the olive oils and (2) the potential blend with refined olive oil or other vegetable oils. The interpretation of the data is based on principal component analysis of the fatty acids concentrations and isotopic data (delta(13)C(oil), delta(13)C(16:0), delta(13)C(18:1)) and on the delta(13)C(16:0) vs delta(13)C(18:1) covariations. The differences in the delta(13)C values of palmitic and oleic acids are discussed in terms of biosynthesis of these acids in the plant tissue and admixture of distinct oils.

3D seismic facies characterization and geological patterns recognition (Australian North West Shelf)

EXECUTIVE SUMMARY This PhD research, funded by the Swiss Sciences Foundation, is principally devoted to enhance the recognition, the visualisation and the characterization of geobodies through innovative 3D seismic approaches. A series of case studies from the Australian North West Shelf ensures the development of reproducible integrated 3D workflows and gives new insight into local and regional stratigraphic as well as structural issues. This project was initiated in year 2000 at the Geology and Palaeontology Institute of the University of Lausanne (Switzerland). Several collaborations ensured the improvement of technical approaches as well as the assessment of geological models. - Investigations into the Timor Sea structural style were carried out at the Tectonics Special Research Centre of the University of Western Australia and in collaboration with Woodside Energy in Perth. - Seismic analysis and attributes classification approach were initiated with Schlumberger Oilfield Australia in Perth; assessments and enhancements of the integrated seismic approaches benefited from collaborations with scientists from Schlumberger Stavanger Research (Norway). Adapting and refining from "linear" exploration techniques, a conceptual "helical" 3D seismic approach has been developed. In order to investigate specific geological issues this approach, integrating seismic attributes and visualisation tools, has been refined and adjusted leading to the development of two specific workflows: - A stratigraphic workflow focused on the recognition of geobodies and the characterization of depositional systems. Additionally, it can support the modelling of the subsidence and incidentally the constraint of the hydrocarbon maturity of a given area. - A structural workflow used to quickly and accurately define major and secondary fault systems. The integration of the 3D structural interpretation results ensures the analysis of the fault networks kinematics which can affect hydrocarbon trapping mechanisms. The application of these integrated workflows brings new insight into two complex settings on the Australian North West Shelf and ensures the definition of astonishing stratigraphic and structural outcomes. The stratigraphic workflow ensures the 3D characterization of the Late Palaeozoic glacial depositional system on the Mermaid Nose (Dampier Subbasin, Northern Carnarvon Basin) that presents similarities with the glacial facies along the Neotethys margin up to Oman (chapter 3.1). A subsidence model reveals the Phanerozoic geodynamic evolution of this area (chapter 3.2) and emphasizes two distinct mode of regional extension for the Palaeozoic (Neotethys opening) and Mesozoic (abyssal plains opening). The structural workflow is used for the definition of the structural evolution of the Laminaria High area (Bonaparte Basin). Following a regional structural characterization of the Timor Sea (chapter 4.1), a thorough analysis of the Mesozoic fault architecture reveals a local rotation of the stress field and the development of reverse structures (flower structures) in extensional setting, that form potential hydrocarbon traps (chapter 4.2). The definition of the complex Neogene structural architecture associated with the fault kinematic analysis and a plate flexure model (chapter 4.3) suggest that the Miocene to Pleistocene reactivation phases recorded at the Laminaria High most probably result from the oblique normal reactivation of the underlying Mesozoic fault planes. This episode is associated with the deformation of the subducting Australian plate. Based on these results three papers were published in international journals and two additional publications will be submitted. Additionally this research led to several communications in international conferences. Although the different workflows presented in this research have been primarily developed and used for the analysis of specific stratigraphic and structural geobodies on the Australian North West Shelf, similar integrated 3D seismic approaches will have applications to hydrocarbon exploration and production phases; for instance increasing the recognition of potential source rocks, secondary migration pathways, additional traps or reservoir breaching mechanisms. The new elements brought by this research further highlight that 3D seismic data contains a tremendous amount of hidden geological information waiting to be revealed and that will undoubtedly bring new insight into depositional systems, structural evolution and geohistory of the areas reputed being explored and constrained and other yet to be constrained. The further development of 3D texture attributes highlighting specific features of the seismic signal, the integration of quantitative analysis for stratigraphic and structural processes, the automation of the interpretation workflow as well as the formal definition of "seismo-morphologic" characteristics of a wide range of geobodies from various environments would represent challenging examples of continuation of this present research. The 21st century will most probably represent a transition period between fossil and other alternative energies. The next generation of seismic interpreters prospecting for hydrocarbon will undoubtedly face new challenges mostly due to the shortage of obvious and easy targets. They will probably have to keep on integrating techniques and geological processes in order to further capitalise the seismic data for new potentials definition. Imagination and creativity will most certainly be among the most important quality required from such geoscientists.

Characterization of gravitational rock slope deformations at different spatial scales based on field, remote sensing and numerical approaches

Rock slope instabilities such as rock slides, rock avalanche or deep-seated gravitational slope deformations are widespread in Alpine valleys. These phenomena represent at the same time a main factor that control the mountain belts erosion and also a significant natural hazard that creates important losses to the mountain communities. However, the potential geometrical and dynamic connections linking outcrop and slope-scale instabilities are often unknown. A more detailed definition of the potential links will be essential to improve the comprehension of the destabilization processes and to dispose of a more complete hazard characterization of the rock instabilities at different spatial scales. In order to propose an integrated approach in the study of the rock slope instabilities, three main themes were analysed in this PhD thesis: (1) the inventory and the spatial distribution of rock slope deformations at regional scale and their influence on the landscape evolution, (2) the influence of brittle and ductile tectonic structures on rock slope instabilities development and (3) the characterization of hazard posed by potential rock slope instabilities through the development of conceptual instability models. To prose and integrated approach for the analyses of these topics, several techniques were adopted. In particular, high resolution digital elevation models revealed to be fundamental tools that were employed during the different stages of the rock slope instability assessment. A special attention was spent in the application of digital elevation model for detailed geometrical modelling of past and potential instabilities and for the rock slope monitoring at different spatial scales. Detailed field analyses and numerical models were performed to complete and verify the remote sensing approach. In the first part of this thesis, large slope instabilities in Rhone valley (Switzerland) were mapped in order to dispose of a first overview of tectonic and climatic factors influencing their distribution and their characteristics. Our analyses demonstrate the key influence of neotectonic activity and the glacial conditioning on the spatial distribution of the rock slope deformations. Besides, the volumes of rock instabilities identified along the main Rhone valley, were then used to propose the first estimate of the postglacial denudation and filling of the Rhone valley associated to large gravitational movements. In the second part of the thesis, detailed structural analyses of the Frank slide and the Sierre rock avalanche were performed to characterize the influence of brittle and ductile tectonic structures on the geometry and on the failure mechanism of large instabilities. Our observations indicated that the geometric characteristics and the variation of the rock mass quality associated to ductile tectonic structures, that are often ignored landslide study, represent important factors that can drastically influence the extension and the failure mechanism of rock slope instabilities. In the last part of the thesis, the failure mechanisms and the hazard associated to five potential instabilities were analysed in detail. These case studies clearly highlighted the importance to incorporate different analyses and monitoring techniques to dispose of reliable and hazard scenarios. This information associated to the development of a conceptual instability model represents the primary data for an integrated risk management of rock slope instabilities. - Les mouvements de versant tels que les chutes de blocs, les éboulements ou encore les phénomènes plus lents comme les déformations gravitaires profondes de versant représentent des manifestations courantes en régions montagneuses. Les mouvements de versant sont à la fois un des facteurs principaux contrôlant la destruction progressive des chaines orogéniques mais aussi un danger naturel concret qui peut provoquer des dommages importants. Pourtant, les phénomènes gravitaires sont rarement analysés dans leur globalité et les rapports géométriques et mécaniques qui lient les instabilités à l'échelle du versant aux instabilités locales restent encore mal définis. Une meilleure caractérisation de ces liens pourrait pourtant représenter un apport substantiel dans la compréhension des processus de déstabilisation des versants et améliorer la caractérisation des dangers gravitaires à toutes les échelles spatiales. Dans le but de proposer un approche plus globale à la problématique des mouvements gravitaires, ce travail de thèse propose trois axes de recherche principaux: (1) l'inventaire et l'analyse de la distribution spatiale des grandes instabilités rocheuses à l'échelle régionale, (2) l'analyse des structures tectoniques cassantes et ductiles en relation avec les mécanismes de rupture des grandes instabilités rocheuses et (3) la caractérisation des aléas rocheux par une approche multidisciplinaire visant à développer un modèle conceptuel de l'instabilité et une meilleure appréciation du danger . Pour analyser les différentes problématiques traitées dans cette thèse, différentes techniques ont été utilisées. En particulier, le modèle numérique de terrain s'est révélé être un outil indispensable pour la majorité des analyses effectuées, en partant de l'identification de l'instabilité jusqu'au suivi des mouvements. Les analyses de terrain et des modélisations numériques ont ensuite permis de compléter les informations issues du modèle numérique de terrain. Dans la première partie de cette thèse, les mouvements gravitaires rocheux dans la vallée du Rhône (Suisse) ont été cartographiés pour étudier leur répartition en fonction des variables géologiques et morphologiques régionales. En particulier, les analyses ont mis en évidence l'influence de l'activité néotectonique et des phases glaciaires sur la distribution des zones à forte densité d'instabilités rocheuses. Les volumes des instabilités rocheuses identifiées le long de la vallée principale ont été ensuite utilisés pour estimer le taux de dénudations postglaciaire et le remplissage de la vallée du Rhône lié aux grands mouvements gravitaires. Dans la deuxième partie, l'étude de l'agencement structural des avalanches rocheuses de Sierre (Suisse) et de Frank (Canada) a permis de mieux caractériser l'influence passive des structures tectoniques sur la géométrie des instabilités. En particulier, les structures issues d'une tectonique ductile, souvent ignorées dans l'étude des instabilités gravitaires, ont été identifiées comme des structures très importantes qui contrôlent les mécanismes de rupture des instabilités à différentes échelles. Dans la dernière partie de la thèse, cinq instabilités rocheuses différentes ont été étudiées par une approche multidisciplinaire visant à mieux caractériser l'aléa et à développer un modèle conceptuel trois dimensionnel de ces instabilités. A l'aide de ces analyses on a pu mettre en évidence la nécessité d'incorporer différentes techniques d'analyses et de surveillance pour une gestion plus objective du risque associée aux grandes instabilités rocheuses.

Minimal analytical characterization of engineered nanomaterials needed for hazard assessment in biological matrices.

Abstract This paper presents the outcomes from a workshop of the European Network on the Health and Environmental Impact of Nanomaterials (NanoImpactNet). During the workshop, 45 experts in the field of safety assessment of engineered nanomaterials addressed the need to systematically study sets of engineered nanomaterials with specific metrics to generate a data set which would allow the establishment of dose-response relations. The group concluded that international cooperation and worldwide standardization of terminology, reference materials and protocols are needed to make progress in establishing lists of essential metrics. High quality data necessitates the development of harmonized study approaches and adequate reporting of data. Priority metrics can only be based on well-characterized dose-response relations derived from the systematic study of the bio-kinetics and bio-interactions of nanomaterials at both organism and (sub)-cellular levels. In addition, increased effort is needed to develop and validate analytical methods to determine these metrics in a complex matrix.

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

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.