The use of artificial intelligence algorithms to guide surgical treatment of adolescent idiopathic scoliosis

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est une déformation tri-dimensionelle du rachis. Son traitement comprend l’observation, l’utilisation de corsets pour limiter sa progression ou la chirurgie pour corriger la déformation squelettique et cesser sa progression. Le traitement chirurgical reste controversé au niveau des indications, mais aussi de la chirurgie à entreprendre. Malgré la présence de classifications pour guider le traitement de la SIA, une variabilité dans la stratégie opératoire intra et inter-observateur a été décrite dans la littérature. Cette variabilité s’accentue d’autant plus avec l’évolution des techniques chirurgicales et de l’instrumentation disponible. L’avancement de la technologie et son intégration dans le milieu médical a mené à l’utilisation d’algorithmes d’intelligence artificielle informatiques pour aider la classification et l’évaluation tridimensionnelle de la scoliose. Certains algorithmes ont démontré être efficace pour diminuer la variabilité dans la classification de la scoliose et pour guider le traitement. L’objectif général de cette thèse est de développer une application utilisant des outils d’intelligence artificielle pour intégrer les données d’un nouveau patient et les évidences disponibles dans la littérature pour guider le traitement chirurgical de la SIA. Pour cela une revue de la littérature sur les applications existantes dans l’évaluation de la SIA fut entreprise pour rassembler les éléments qui permettraient la mise en place d’une application efficace et acceptée dans le milieu clinique. Cette revue de la littérature nous a permis de réaliser que l’existence de “black box” dans les applications développées est une limitation pour l’intégration clinique ou la justification basée sur les évidence est essentielle. Dans une première étude nous avons développé un arbre décisionnel de classification de la scoliose idiopathique basé sur la classification de Lenke qui est la plus communément utilisée de nos jours mais a été critiquée pour sa complexité et la variabilité inter et intra-observateur. Cet arbre décisionnel a démontré qu’il permet d’augmenter la précision de classification proportionnellement au temps passé à classifier et ce indépendamment du niveau de connaissance sur la SIA. Dans une deuxième étude, un algorithme de stratégies chirurgicales basé sur des règles extraites de la littérature a été développé pour guider les chirurgiens dans la sélection de l’approche et les niveaux de fusion pour la SIA. Lorsque cet algorithme est appliqué à une large base de donnée de 1556 cas de SIA, il est capable de proposer une stratégie opératoire similaire à celle d’un chirurgien expert dans prêt de 70% des cas. Cette étude a confirmé la possibilité d’extraire des stratégies opératoires valides à l’aide d’un arbre décisionnel utilisant des règles extraites de la littérature. Dans une troisième étude, la classification de 1776 patients avec la SIA à l’aide d’une carte de Kohonen, un type de réseaux de neurone a permis de démontrer qu’il existe des scoliose typiques (scoliose à courbes uniques ou double thoracique) pour lesquelles la variabilité dans le traitement chirurgical varie peu des recommandations par la classification de Lenke tandis que les scolioses a courbes multiples ou tangentielles à deux groupes de courbes typiques étaient celles avec le plus de variation dans la stratégie opératoire. Finalement, une plateforme logicielle a été développée intégrant chacune des études ci-dessus. Cette interface logicielle permet l’entrée de données radiologiques pour un patient scoliotique, classifie la SIA à l’aide de l’arbre décisionnel de classification et suggère une approche chirurgicale basée sur l’arbre décisionnel de stratégies opératoires. Une analyse de la correction post-opératoire obtenue démontre une tendance, bien que non-statistiquement significative, à une meilleure balance chez les patients opérés suivant la stratégie recommandée par la plateforme logicielle que ceux aillant un traitement différent. Les études exposées dans cette thèse soulignent que l’utilisation d’algorithmes d’intelligence artificielle dans la classification et l’élaboration de stratégies opératoires de la SIA peuvent être intégrées dans une plateforme logicielle et pourraient assister les chirurgiens dans leur planification préopératoire.

Étude de modélisation de stratégies opératoires d'instrumentation du rachis scoliotique à l'aide de la logique floue

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude de modélisation de stratégies opératoires d'instrumentation du rachis scoliotique à l'aide de la logique floue

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Urban Detection From Hyperspectral Images Using Dimension-Reduction Model and Fusion of Multiple Segmentations Based on Stuctural and Textural Features

Ce mémoire de maîtrise présente une nouvelle approche non supervisée pour détecter et segmenter les régions urbaines dans les images hyperspectrales. La méthode proposée n ́ecessite trois étapes. Tout d’abord, afin de réduire le coût calculatoire de notre algorithme, une image couleur du contenu spectral est estimée. A cette fin, une étape de réduction de dimensionalité non-linéaire, basée sur deux critères complémentaires mais contradictoires de bonne visualisation; à savoir la précision et le contraste, est réalisée pour l’affichage couleur de chaque image hyperspectrale. Ensuite, pour discriminer les régions urbaines des régions non urbaines, la seconde étape consiste à extraire quelques caractéristiques discriminantes (et complémentaires) sur cette image hyperspectrale couleur. A cette fin, nous avons extrait une série de paramètres discriminants pour décrire les caractéristiques d’une zone urbaine, principalement composée d’objets manufacturés de formes simples g ́eométriques et régulières. Nous avons utilisé des caractéristiques texturales basées sur les niveaux de gris, la magnitude du gradient ou des paramètres issus de la matrice de co-occurrence combinés avec des caractéristiques structurelles basées sur l’orientation locale du gradient de l’image et la détection locale de segments de droites. Afin de réduire encore la complexité de calcul de notre approche et éviter le problème de la ”malédiction de la dimensionnalité” quand on décide de regrouper des données de dimensions élevées, nous avons décidé de classifier individuellement, dans la dernière étape, chaque caractéristique texturale ou structurelle avec une simple procédure de K-moyennes et ensuite de combiner ces segmentations grossières, obtenues à faible coût, avec un modèle efficace de fusion de cartes de segmentations. Les expérimentations données dans ce rapport montrent que cette stratégie est efficace visuellement et se compare favorablement aux autres méthodes de détection et segmentation de zones urbaines à partir d’images hyperspectrales.

Developmental Potential of Bovine Hand-Made Clone Embryos Reconstructed by Aggregation or Fusion with Distinct Cytoplasmic Volumes

Animal cloning has been associated with developmental abnormalities, with the level of heteroplasmy caused by the procedure being one of its potential limiting factors. The aim of this study was to determine the effect of the fusion of hemicytoplasts or aggregation of hemiembryos, varying the final cytoplasmic volume, on development and cell density of embryos produced by hand-made cloning (HMC), parthenogenesis or by in vitro fertilization (IVF). One or two enucleated hemicytoplasts were paired and fused with one skin somatic cell. Activated clone and zona-free parthenote embryos and hemiembryos were in vitro cultured in the well-of-the-well (WOW) system, being allocated to one of six experimental groups, on a per WOW basis: single clone or parthenote hemiembryos (1 x 50%); aggregation of two (2 x 50%), three (3 x 50%), or four (4 x 50%) clone or parthenote hemiembryos; single clone or parthenote embryos (1 x 100%); or aggregation of two clone or parthenote embryos (2 x 100%). Control zona-intact parthenote or IVF embryos were in vitro cultured in four-well dishes. Results indicated that the increase in the number of aggregated structures within each WOW was followed by a linear increase in cleavage, blastocyst rate, and cell density. The increase in cytoplasmic volume, either by fusion or by aggregation, had a positive effect on embryo development, supporting the establishment of pregnancies and the birth of a viable clone calf after transfer to recipients. However, embryo aggregation did not improve development on a hemicytoplast basis, except for the aggregation of two clone embryos.

Near-Barrier Fusion of the (8)B+(58)Ni Proton-Halo System

Fusion cross sections were measured for the exotic proton-halo nucleus (8)B incident on a (58)Ni target at several energies near the Coulomb barrier. This is the first experiment to report on the fusion of a protonhalo nucleus. The resulting excitation function shows a striking enhancement with respect to expectations for normal projectiles. Evidence is presented that the sum of the fusion and breakup yields saturates the total reaction cross section.

Human gait recognition using extraction and fusion of global motion features

This paper proposes a novel computer vision approach that processes video sequences of people walking and then recognises those people by their gait. Human motion carries different information that can be analysed in various ways. The skeleton carries motion information about human joints, and the silhouette carries information about boundary motion of the human body. Moreover, binary and gray-level images contain different information about human movements. This work proposes to recover these different kinds of information to interpret the global motion of the human body based on four different segmented image models, using a fusion model to improve classification. Our proposed method considers the set of the segmented frames of each individual as a distinct class and each frame as an object of this class. The methodology applies background extraction using the Gaussian Mixture Model (GMM), a scale reduction based on the Wavelet Transform (WT) and feature extraction by Principal Component Analysis (PCA). We propose four new schemas for motion information capture: the Silhouette-Gray-Wavelet model (SGW) captures motion based on grey level variations; the Silhouette-Binary-Wavelet model (SBW) captures motion based on binary information; the Silhouette-Edge-Binary model (SEW) captures motion based on edge information and the Silhouette Skeleton Wavelet model (SSW) captures motion based on skeleton movement. The classification rates obtained separately from these four different models are then merged using a new proposed fusion technique. The results suggest excellent performance in terms of recognising people by their gait.

Evolutionary conservation of the membrane fusion machine

Recent structural studies of proteins mediating membrane fusion reveal intriguing similarities between diverse viral and mammalian systems. Particularly striking is the close similarity between the transmembrane envelope glycoproteins from the retrovirus HTLV-1 and the filovirus Ebola. These similarities suggest similar mechanisms of membrane fusion. The model that fits most currently available data suggests fusion activation in viral systems is driven by a symmetrical conformational change triggered by an activation event such as receptor binding or a pH change. The mammalian vesicle fusion mediated by the SNARE protein complex most likely occurs by a similar mechanism but without symmetry constraints.

Dermaseptins from Phyllomedusa oreades and Phyllomedusa distincta: Liposomes fusion and/or lysis investigated by fluorescence and atomic force microscopy

Three dermaseptins, DS 01, DD K, and DD L, were compared with respect to their structural features and interactions with liposomes. Circular dichroic spectra at alcohols of different chain lengths revealed that DS 01 has the higher helicogenic potential in hydrophobic media. Binding of DS 01, DD K, and DD L to liposomes induced significant blue shifts of the emission spectra of the single tryptophan located at position 3 of all sequences indicating association of the peptides with bilayers. Kinetics evaluation of atomic force microscopy images evidenced the strong fusogenic activity of DS 01 whereas DD K and DD L showed increased lytic activities. (C) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

Inactivation of a c-Myb/estrogen receptor fusion protein in transformed primary cells leads to granulocyte/macrophage differentiation and down regulation of c-kit but not c-myc or cdc2

Primary murine fetal hemopoietic cells were transformed with a fusion protein consisting of the ligand-binding domain of the estrogen receptor and a carboxyl-terminally truncated c-Myb protein (ERMYB), The ERMYB-transformed hemopoietic cells exhibit an immature myeloid phenotype when grown in the presence of beta-estradiol. Upon removal of beta-estradiol, the ERMYB cells display increased adherence, decreased clonogenicity and differentiate to cells exhibiting granulocyte or macrophage morphology, The expression of the c-myc, c-kit, cdc2 and bcl-2 genes, which are putatively regulated by Myb, was investigated in ERMYB cells grown in the presence or absence of beta-estradiol. Neither c-myc nor cdc2 expression was down-regulated after removal of beta-estradiol demonstrating that differentiation is not a consequence of decreased transactivation of these genes by ERMYB. While bcl-2 expression was reduced by 50% in ERMYB cells grown in the absence of beta-estradiol, there was no increase in DNA laddering, suggesting that Myb was not protecting ERMYB cells from apoptosis, In contrast, a substantial (200-fold) decrease in c-kit mRNA level was observed following differentiation of ERMYB cells, and c-kit mRNA could be partially re-induced by the re-addition of beta-estradiol. Furthermore, a reporter construct containing the c-kit promoter was activated when cotransfected with a Myb expression vector, providing further evidence of a role for Myb in the regulation of c-kit.

Cryptic SYT/SXX1 fusion gene in high-grade biphasic synovial sarcoma with unique complex rearrangement and extensive BCL2 overexpression

Synovial sarcomas are high-grade malignant mesenchymal tumors that account for 10% of all soft-tissue sarcomas. Almost 95% of these tumors are characterized by a nonrandom chromosomal abnormality, t(X;18)(p11.2;q11.2), that is observed in both biphasic and monophasic variants. In this article, we present the case of a 57-year-old woman diagnosed with high-grade biphasic synovial sarcoma in which conventional cytogenetic analysis revealed the constant presence of a unique t(18;22)(q12;q13), in addition to trisomy 8. The rearrangement was confirmed by fluorescence in situ hybridization. The use of the whole chromosome painting probes WCPX did not detect any rearrangements involving chromosome X, although reverse-transcriptase polymerase chain reaction (PCR) analysis demonstrated the conspicuous presence of a SYT/SXX1 fusion gene. Spectral karyotyping (SKY) was also performed and revealed an insertion of material from chromosome 18 into one of the X chromosomes at position Xp11.2. Thus, the karyotype was subsequently interpreted as 47,X,der(X)ins(X;18) (p11.2;q11.2q11.2),der(18)del(18)(q11.2q11.2)t(18;22)(q12;q13),der(22)t(18;22). Real-time PCR analysis of BCL2 expression in the tumor sample showed a 433-fold increase. This rare finding exemplifies that thorough molecular-cytogenetic analyses are required to elucidate complex and/or cryptic tumor-specific translocations. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.

Prediction of coal ash fusion temperatures with the F*A*C*T thermodynamic computer package

This paper outlines research on the processes taking place within the coal mineral matter at high temperatures and development of the relationship between ash fusion temperatures (AFT) and phase equilibria of the coal ash slags. A new thermodynamic database for the Al-Ca-Fe-O-Si system developed by the author was used in conjunction with the thermodynamic computer package F*A*C*T for these purposes. In addition, high temperature experimental studies were undertaken that involved heat treatment and quenching of the ash cones followed by the analyses using different techniques. The study provided new information on the processes taking place during AFT test and demonstrated the validity of the AFTs predictions with F*A*C*T. Examples of practical applications of the AFT prediction method are given in the paper. The results of this study are important not only for the AFT predictions, but also in general for the application of phase equilibrium science to the characterisation of the coal mineral matter interactions at high temperature. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

The effect of latent heat of fusion on heat transfer in fluidized-bed coating of thin plates

This paper presents a numerical study of fluidized-bed coating on thin plates using an orthogonal collocation technique. Inclusion of the latent heat of fusion term in the boundary conditions of the mathematical model accounts for the fact that some polymer powders used in coating may be partially crystalline. Predictions of coating thickness on flat plates were made with actual polymers used in fluidized-bed coating. Reasonably good agreement between numerical predictions of the coating thickness and experimental coating data of Richart was obtained for steel panels preheated to 316 degreesC. A good agreement was also obtained between numerical predictions and our coating thickness data for nylon-11 and polyethylene powders. Predicted coating thickness for polyethylene powder on flat plates were obtained with values of heat transfer coefficient closer to those obtained from our experiments. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Structural characterization of respiratory syncytial virus fusion inhibitor escape mutants: homology model of the F protein and a syncytium formation assay

Respiratory syncytial virus (RSV) is a ubiquitous human pathogen and the leading cause of lower respiratory tract infections in infants. Infection of cells and subsequent formation of syncytia occur through membrane fusion mediated by the RSV fusion protein (RSV-F). A novel in vitro assay of recombinant RSV-F function has been devised and used to characterize a number of escape mutants for three known inhibitors of RSV-F that have been isolated. Homology modeling of the RSV-F structure has been carried out on the basis of a chimera derived from the crystal structures of the RSV-F core and a fragment from the orthologous fusion protein from Newcastle disease virus (NDV). The structure correlates well with the appearance of RSV-F in electron micrographs, and the residues identified as contributing to specific binding sites for several monoclonal antibodies are arranged in appropriate solvent-accessible clusters. The positions of the characterized resistance mutants in the model structure identify two promising regions for the design of fusion inhibitors. (C) 2003 Elsevier Science (USA). All rights reserved.