Hind limb ischemia in rabbit model: T2-prepared versus time-of-flight MR angiography at 3 T.

PURPOSE: To prospectively compare various parameters of vessels imaged at 3 T by using time-of-flight (TOF) and T2-prepared magnetic resonance (MR) angiography in a rabbit model of hind limb ischemia. MATERIALS AND METHODS: Experiments were approved by the institutional animal care and use committee. Endovascular occlusion of the left superficial femoral artery was induced in 14 New Zealand white rabbits. After 2 weeks, MR angiography and conventional (x-ray) angiography were performed. Vessel sharpness was evaluated visually in the ischemic and nonischemic limbs, and the presence of small collateral vessels was evaluated in the ischemic limbs. Vessel sharpness was also quantified by evaluating the magnitude of signal intensity change at the vessel borders. RESULTS: The sharpness of vessels in the nonischemic limbs was similar between the TOF and the T2-prepared images. In the ischemic limbs, however, T2-prepared imaging, as compared with TOF imaging, generated higher vessel sharpness in arteries with diminished blood flow (mean vessel sharpness: 44% vs 30% for popliteal arteries, 45% vs 28% for saphenous arteries; P < .001 for both comparisons) and enabled better detection of small collateral vessels (93% vs 36% of vessels, P < .001). CONCLUSION: T2-prepared imaging can facilitate high-spatial-resolution MR angiography of small vessels with low blood flow and thus has potential as a tool for noninvasive evaluation of arteriogenic therapies, without use of contrast material. Supplemental material: http://radiology.rsnajnls.org/cgi/content/full/2452062067/DC1.

Optimizing immuno-labeling for correlative fluorescence and electron microscopy on a single specimen.

Correlative fluorescence and electron microscopy has become an indispensible tool for research in cell biology. The integrated Laser and Electron Microscope (iLEM) combines a Fluorescence Microscope (FM) and a Transmission Electron Microscope (TEM) within one set-up. This unique imaging tool allows for rapid identification of a region of interest with the FM, and subsequent high resolution TEM imaging of this area. Sample preparation is one of the major challenges in correlative microscopy of a single specimen; it needs to be apt for both FM and TEM imaging. For iLEM, the performance of the fluorescent probe should not be impaired by the vacuum of the TEM. In this technical note, we have compared the fluorescence intensity of six fluorescent probes in a dry, oxygen free environment relative to their performance in water. We demonstrate that the intensity of some fluorophores is strongly influenced by its surroundings, which should be taken into account in the design of the experiment. Furthermore, a freeze-substitution and Lowicryl resin embedding protocol is described that yields excellent membrane contrast in the TEM but prevents quenching of the fluorescent immuno-labeling. The embedding protocol results in a single specimen preparation procedure that performs well in both FM and TEM. Such procedures are not only essential for the iLEM, but also of great value to other correlative microscopy approaches.

Fast Bias Field Correction for 9.4 Tesla Magnetic Resonance Imaging

In this paper the problem of intensity inhomogeneity athigh magnetic field on magnetic resonance images isaddressed. Specifically, rat brain images at 9.4Tacquired with a surface coil are bias corrected. Wepropose a low- pass frequency model that takes intoaccount not only background-object contours but alsoother important contours inside the image. Twopre-processing filters are proposed: first, to create avolume of interest without contours, and second, toextrapolate the image values of such masked area to thewhole image. Results are assessed quantitatively andvisually in comparison to standard low pass filterapproach, and they show as expected better accuracy inenhancing image intensity.

A two-dimensional doppler-radiometer for earth observation

Compared to synthetic aperture radars (SARs), the angular resolution of microwave radiometers is quite poor. Traditionally, it has been limited by the physical size of the antenna. However, the angular resolution can be improved by means of aperture synthesis interferometric techniques. A narrow beam is synthesized during the image formation processing of the cross-correlations measured at zero-lag between pairs of signals collected by an array of antennas. The angular resolution is then determined by the maximum antenna spacing normalized to the wavelength (baseline). The next step in improving the angular resolution is the Doppler-Radiometer, somehow related to the super-synthesis radiometers and the Radiometer-SAR. This paper presents the concept of a three-antenna Doppler-Radiometer for 2D imaging. The performance of this instrument is evaluated in terms of angular/spatial resolution and radiometric sensitivity, and an L-band illustrative example is presented.

Evolution of superficial lake water temperature profile under diurnal radiative forcing

In lentic water bodies, such as lakes, the water temperature near the surface typically increases during the day, and decreases during the night as a consequence of the diurnal radiative forcing (solar and infrared radiation). These temperature variations penetrate vertically into the water, transported mainly by heat conduction enhanced by eddy diffusion, which may vary due to atmospheric conditions, surface wave breaking, and internal dynamics of the water body. These two processes can be described in terms of an effective thermal diffusivity, which can be experimentally estimated. However, the transparency of the water (depending on turbidity) also allows solar radiation to penetrate below the surface into the water body, where it is locally absorbed (either by the water or by the deployed sensors). This process makes the estimation of effective thermal diffusivity from experimental water temperature profiles more difficult. In this study, we analyze water temperature profiles in a lake with the aim of showing that assessment of the role played by radiative forcing is necessary to estimate the effective thermal diffusivity. To this end we investigate diurnal water temperature fluctuations with depth. We try to quantify the effect of locally absorbed radiation and assess the impact of atmospheric conditions (wind speed, net radiation) on the estimation of the thermal diffusivity. The whole analysis is based on the results of fiber optic distributed temperature sensing, which allows unprecedented high spatial resolution measurements (∼4 mm) of the temperature profile in the water and near the water surface.

Observation of VHE γ-rays from Cassiopeia A with the MAGIC telescope

Aims:We searched for very high energy (VHE) γ-ray emission from the supernova remnant Cassiopeia A Methods: The shell-type supernova remnant Cassiopeia A was observed with the 17 m MAGIC telescope between July 2006 and January 2007 for a total time of 47 h. Results: The source was detected above an energy of 250 GeV with a significance of 5.2σ and a photon flux above 1 TeV of (7.3 ± 0.7_stat ± 2.2_sys) × 10-13 cm-2s-1. The photon spectrum is compatible with a power law dN/dE ∝ E-Γ with a photon index Γ = 2.3 ± 0.2_stat ± 0.2_sys. The source is point-like within the angular resolution of the telescope.

Physiological noise in human cerebellar fMRI.

OBJECTIVES: To compare physiological noise contributions in cerebellar and cerebral regions of interest in high-resolution functional magnetic resonance imaging (fMRI) data acquired at 7T, to estimate the need for physiological noise removal in cerebellar fMRI. MATERIALS AND METHODS: Signal fluctuations in high resolution (1 mm isotropic) 7T fMRI data were attributed to one of the following categories: task-induced BOLD changes, slow drift, signal changes correlated with the cardiac and respiratory cycles, signal changes related to the cardiac rate and respiratory volume per unit of time or other. [Formula: see text] values for all categories were compared across regions of interest. RESULTS: In this high-resolution data, signal fluctuations related to the phase of the cardiac cycle and cardiac rate were shown to be significant, but comparable between cerebellar and cerebral regions of interest. However, respiratory related signal fluctuations were increased in the cerebellar regions, with explained variances that were up to 80 % higher than for the primary motor cortex region. CONCLUSION: Even at a millimetre spatial resolution, significant correlations with both cardiac and respiratory RETROICOR components were found in all healthy volunteer data. Therefore, physiological noise correction is highly likely to improve the temporal signal-to-noise ratio (SNR) for cerebellar fMRI at 7T, even at high spatial resolution.

Correlative microscopy.

In recent years correlative microscopy, combining the power and advantages of different imaging system, e.g., light, electrons, X-ray, NMR, etc., has become an important tool for biomedical research. Among all the possible combinations of techniques, light and electron microscopy, have made an especially big step forward and are being implemented in more and more research labs. Electron microscopy profits from the high spatial resolution, the direct recognition of the cellular ultrastructure and identification of the organelles. It, however, has two severe limitations: the restricted field of view and the fact that no live imaging can be done. On the other hand light microscopy has the advantage of live imaging, following a fluorescently tagged molecule in real time and at lower magnifications the large field of view facilitates the identification and location of sparse individual cells in a large context, e.g., tissue. The combination of these two imaging techniques appears to be a valuable approach to dissect biological events at a submicrometer level. Light microscopy can be used to follow a labelled protein of interest, or a visible organelle such as mitochondria, in time, then the sample is fixed and the exactly same region is investigated by electron microscopy. The time resolution is dependent on the speed of penetration and fixation when chemical fixatives are used and on the reaction time of the operator for cryo-fixation. Light microscopy can also be used to identify cells of interest, e.g., a special cell type in tissue or cells that have been modified by either transfections or RNAi, in a large population of non-modified cells. A further application is to find fluorescence labels in cells on a large section to reduce searching time in the electron microscope. Multiple fluorescence labelling of a series of sections can be correlated with the ultrastructure of the individual sections to get 3D information of the distribution of the marked proteins: array tomography. More and more efforts are put in either converting a fluorescence label into an electron dense product or preserving the fluorescence throughout preparation for the electron microscopy. Here, we will review successful protocols and where possible try to extract common features to better understand the importance of the individual steps in the preparation. Further the new instruments and software, intended to ease correlative light and electron microscopy, are discussed. Last but not least we will detail the approach we have chosen for correlative microscopy.

Dynamic electrostatic force microscopy in liquid media

We present the implementation of dynamic electrostatic force microscopy in liquid media. This implementation enables the quantitative imaging of local dielectric properties of materials in electrolyte solutions with nanoscale spatial resolution. Local imaging capabilities are obtained by probing the frequency-dependent and ionic concentration-dependent electrostatic forces at high frequency (>1 MHz), while quantification of the interaction forces is obtained with finite-element numerical calculations. The results presented open a wide range of possibilities in a number of fields where the dielectric properties of materials need to be probed at the nanoscale and in a liquid environment.

Dynamic electrostatic force microscopy in liquid media

We present the implementation of dynamic electrostatic force microscopy in liquid media. This implementation enables the quantitative imaging of local dielectric properties of materials in electrolyte solutions with nanoscale spatial resolution. Local imaging capabilities are obtained by probing the frequency-dependent and ionic concentration-dependent electrostatic forces at high frequency (>1 MHz), while quantification of the interaction forces is obtained with finite-element numerical calculations. The results presented open a wide range of possibilities in a number of fields where the dielectric properties of materials need to be probed at the nanoscale and in a liquid environment.

Narrow-band 1, 2, 3, 4, 8, 16 and 24 cycles/360º angular frequency filters

We measured human frequency response functions for seven angular frequency filters whose test frequencies were centered at 1, 2, 3, 4, 8, 16 or 24 cycles/360º using a supra-threshold summation method. The seven functions of 17 experimental conditions each were measured nine times for five observers. For the arbitrarily selected filter phases, the maximum summation effect occurred at test frequency for filters at 1, 2, 3, 4 and 8 cycles/360º. For both 16 and 24 cycles/360º test frequencies, maximum summation occurred at the lower harmonics. These results allow us to conclude that there are narrow-band angular frequency filters operating somehow in the human visual system either through summation or inhibition of specific frequency ranges. Furthermore, as a general result, it appears that addition of higher angular frequencies to lower ones disturbs low angular frequency perception (i.e., 1, 2, 3 and 4 cycles/360º), whereas addition of lower harmonics to higher ones seems to improve detection of high angular frequency harmonics (i.e., 8, 16 and 24 cycles/360º). Finally, we discuss the possible involvement of coupled radial and angular frequency filters in face perception using an example where narrow-band low angular frequency filters could have a major role.

EEG spike source localization before and after surgery for temporal lobe epilepsy: a BOLD EEG-fMRI and independent component analysis study

Simultaneous measurements of EEG-functional magnetic resonance imaging (fMRI) combine the high temporal resolution of EEG with the distinctive spatial resolution of fMRI. The purpose of this EEG-fMRI study was to search for hemodynamic responses (blood oxygen level-dependent - BOLD responses) associated with interictal activity in a case of right mesial temporal lobe epilepsy before and after a successful selective amygdalohippocampectomy. Therefore, the study found the epileptogenic source by this noninvasive imaging technique and compared the results after removing the atrophied hippocampus. Additionally, the present study investigated the effectiveness of two different ways of localizing epileptiform spike sources, i.e., BOLD contrast and independent component analysis dipole model, by comparing their respective outcomes to the resected epileptogenic region. Our findings suggested a right hippocampus induction of the large interictal activity in the left hemisphere. Although almost a quarter of the dipoles were found near the right hippocampus region, dipole modeling resulted in a widespread distribution, making EEG analysis too weak to precisely determine by itself the source localization even by a sophisticated method of analysis such as independent component analysis. On the other hand, the combined EEG-fMRI technique made it possible to highlight the epileptogenic foci quite efficiently.

Bioimage informatics in STED super-resolution microscopy

Optical microscopy is living its renaissance. The diffraction limit, although still physically true, plays a minor role in the achievable resolution in far-field fluorescence microscopy. Super-resolution techniques enable fluorescence microscopy at nearly molecular resolution. Modern (super-resolution) microscopy methods rely strongly on software. Software tools are needed all the way from data acquisition, data storage, image reconstruction, restoration and alignment, to quantitative image analysis and image visualization. These tools play a key role in all aspects of microscopy today – and their importance in the coming years is certainly going to increase, when microscopy little-by-little transitions from single cells into more complex and even living model systems. In this thesis, a series of bioimage informatics software tools are introduced for STED super-resolution microscopy. Tomographic reconstruction software, coupled with a novel image acquisition method STED< is shown to enable axial (3D) super-resolution imaging in a standard 2D-STED microscope. Software tools are introduced for STED super-resolution correlative imaging with transmission electron microscopes or atomic force microscopes. A novel method for automatically ranking image quality within microscope image datasets is introduced, and it is utilized to for example select the best images in a STED microscope image dataset.

REFLECT : logiciel de restitution des réflectances au sol pour l’amélioration de la qualité de l'information extraite des images satellitales à haute résolution spatiale

RÉSUMÉ - Les images satellitales multispectrales, notamment celles à haute résolution spatiale (plus fine que 30 m au sol), représentent une source d’information inestimable pour la prise de décision dans divers domaines liés à la gestion des ressources naturelles, à la préservation de l’environnement ou à l’aménagement et la gestion des centres urbains. Les échelles d’étude peuvent aller du local (résolutions plus fines que 5 m) à des échelles régionales (résolutions plus grossières que 5 m). Ces images caractérisent la variation de la réflectance des objets dans le spectre qui est l’information clé pour un grand nombre d’applications de ces données. Or, les mesures des capteurs satellitaux sont aussi affectées par des facteurs « parasites » liés aux conditions d’éclairement et d’observation, à l’atmosphère, à la topographie et aux propriétés des capteurs. Deux questions nous ont préoccupé dans cette recherche. Quelle est la meilleure approche pour restituer les réflectances au sol à partir des valeurs numériques enregistrées par les capteurs tenant compte des ces facteurs parasites ? Cette restitution est-elle la condition sine qua non pour extraire une information fiable des images en fonction des problématiques propres aux différents domaines d’application des images (cartographie du territoire, monitoring de l’environnement, suivi des changements du paysage, inventaires des ressources, etc.) ? Les recherches effectuées les 30 dernières années ont abouti à une série de techniques de correction des données des effets des facteurs parasites dont certaines permettent de restituer les réflectances au sol. Plusieurs questions sont cependant encore en suspens et d’autres nécessitent des approfondissements afin, d’une part d’améliorer la précision des résultats et d’autre part, de rendre ces techniques plus versatiles en les adaptant à un plus large éventail de conditions d’acquisition des données. Nous pouvons en mentionner quelques unes : - Comment prendre en compte des caractéristiques atmosphériques (notamment des particules d’aérosol) adaptées à des conditions locales et régionales et ne pas se fier à des modèles par défaut qui indiquent des tendances spatiotemporelles à long terme mais s’ajustent mal à des observations instantanées et restreintes spatialement ? - Comment tenir compte des effets de « contamination » du signal provenant de l’objet visé par le capteur par les signaux provenant des objets environnant (effet d’adjacence) ? ce phénomène devient très important pour des images de résolution plus fine que 5 m; - Quels sont les effets des angles de visée des capteurs hors nadir qui sont de plus en plus présents puisqu’ils offrent une meilleure résolution temporelle et la possibilité d’obtenir des couples d’images stéréoscopiques ? - Comment augmenter l’efficacité des techniques de traitement et d’analyse automatique des images multispectrales à des terrains accidentés et montagneux tenant compte des effets multiples du relief topographique sur le signal capté à distance ? D’autre part, malgré les nombreuses démonstrations par des chercheurs que l’information extraite des images satellitales peut être altérée à cause des tous ces facteurs parasites, force est de constater aujourd’hui que les corrections radiométriques demeurent peu utilisées sur une base routinière tel qu’est le cas pour les corrections géométriques. Pour ces dernières, les logiciels commerciaux de télédétection possèdent des algorithmes versatiles, puissants et à la portée des utilisateurs. Les algorithmes des corrections radiométriques, lorsqu’ils sont proposés, demeurent des boîtes noires peu flexibles nécessitant la plupart de temps des utilisateurs experts en la matière. Les objectifs que nous nous sommes fixés dans cette recherche sont les suivants : 1) Développer un logiciel de restitution des réflectances au sol tenant compte des questions posées ci-haut. Ce logiciel devait être suffisamment modulaire pour pouvoir le bonifier, l’améliorer et l’adapter à diverses problématiques d’application d’images satellitales; et 2) Appliquer ce logiciel dans différents contextes (urbain, agricole, forestier) et analyser les résultats obtenus afin d’évaluer le gain en précision de l’information extraite par des images satellitales transformées en images des réflectances au sol et par conséquent la nécessité d’opérer ainsi peu importe la problématique de l’application. Ainsi, à travers cette recherche, nous avons réalisé un outil de restitution de la réflectance au sol (la nouvelle version du logiciel REFLECT). Ce logiciel est basé sur la formulation (et les routines) du code 6S (Seconde Simulation du Signal Satellitaire dans le Spectre Solaire) et sur la méthode des cibles obscures pour l’estimation de l’épaisseur optique des aérosols (aerosol optical depth, AOD), qui est le facteur le plus difficile à corriger. Des améliorations substantielles ont été apportées aux modèles existants. Ces améliorations concernent essentiellement les propriétés des aérosols (intégration d’un modèle plus récent, amélioration de la recherche des cibles obscures pour l’estimation de l’AOD), la prise en compte de l’effet d’adjacence à l’aide d’un modèle de réflexion spéculaire, la prise en compte de la majorité des capteurs multispectraux à haute résolution (Landsat TM et ETM+, tous les HR de SPOT 1 à 5, EO-1 ALI et ASTER) et à très haute résolution (QuickBird et Ikonos) utilisés actuellement et la correction des effets topographiques l’aide d’un modèle qui sépare les composantes directe et diffuse du rayonnement solaire et qui s’adapte également à la canopée forestière. Les travaux de validation ont montré que la restitution de la réflectance au sol par REFLECT se fait avec une précision de l’ordre de ±0.01 unités de réflectance (pour les bandes spectrales du visible, PIR et MIR), même dans le cas d’une surface à topographie variable. Ce logiciel a permis de montrer, à travers des simulations de réflectances apparentes à quel point les facteurs parasites influant les valeurs numériques des images pouvaient modifier le signal utile qui est la réflectance au sol (erreurs de 10 à plus de 50%). REFLECT a également été utilisé pour voir l’importance de l’utilisation des réflectances au sol plutôt que les valeurs numériques brutes pour diverses applications courantes de la télédétection dans les domaines des classifications, du suivi des changements, de l’agriculture et de la foresterie. Dans la majorité des applications (suivi des changements par images multi-dates, utilisation d’indices de végétation, estimation de paramètres biophysiques, …), la correction des images est une opération cruciale pour obtenir des résultats fiables. D’un point de vue informatique, le logiciel REFLECT se présente comme une série de menus simples d’utilisation correspondant aux différentes étapes de saisie des intrants de la scène, calcul des transmittances gazeuses, estimation de l’AOD par la méthode des cibles obscures et enfin, l’application des corrections radiométriques à l’image, notamment par l’option rapide qui permet de traiter une image de 5000 par 5000 pixels en 15 minutes environ. Cette recherche ouvre une série de pistes pour d’autres améliorations des modèles et méthodes liés au domaine des corrections radiométriques, notamment en ce qui concerne l’intégration de la FDRB (fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle) dans la formulation, la prise en compte des nuages translucides à l’aide de la modélisation de la diffusion non sélective et l’automatisation de la méthode des pentes équivalentes proposée pour les corrections topographiques.

Développement et validation de méthodes visant une utilisation optimale d'antennes réceptrices en imagerie par résonance magnétique

Différentes méthodes ayant pour objectif une utilisation optimale d'antennes radio-fréquences spécialisées en imagerie par résonance magnétique sont développées et validées. Dans un premier temps, il est démontré qu'une méthode alternative de combinaison des signaux provenant des différents canaux de réception d'un réseau d'antennes mène à une réduction significative du biais causé par la présence de bruit dans des images de diffusion, en comparaison avec la méthode de la somme-des-carrés généralement utilisée. Cette réduction du biais engendré par le bruit permet une amélioration de l'exactitude de l'estimation de différents paramètres de diffusion et de diffusion tensorielle. De plus, il est démontré que cette méthode peut être utilisée conjointement avec une acquisition régulière sans accélération, mais également en présence d'imagerie parallèle. Dans une seconde perspective, les bénéfices engendrés par l'utilisation d'une antenne d'imagerie intravasculaire sont étudiés. Suite à une étude sur fantôme, il est démontré que l'imagerie par résonance magnétique intravasculaire offre le potentiel d'améliorer significativement l'exactitude géométrique lors de mesures morphologiques vasculaires, en comparaison avec les résultats obtenus avec des antennes de surface classiques. Il est illustré qu'une exactitude géométrique comparable à celle obtenue grâce à une sonde ultrasonique intravasculaire peut être atteinte. De plus, plusieurs protocoles basés sur une acquisition de type balanced steady-state free-precession sont comparés dans le but de mettre en évidence différentes relations entre les paramètres utilisés et l'exactitude géométrique obtenue. En particulier, des dépendances entre la taille du vaisseau, le rapport signal-sur-bruit à la paroi vasculaire, la résolution spatiale et l'exactitude géométrique atteinte sont mises en évidence. Dans une même optique, il est illustré que l'utilisation d'une antenne intravasculaire permet une amélioration notable de la visualisation de la lumière d'une endoprothèse vasculaire. Lorsque utilisée conjointement avec une séquence de type balanced steady-state free-precession utilisant un angle de basculement spécialement sélectionné, l'imagerie par résonance magnétique intravasculaire permet d'éliminer complètement les limitations normalement engendrées par l'effet de blindage radio-fréquence de l'endoprothèse.