Low-power DWT-based quasi-averaging algorithm and architecture for epileptic seizure detection

In this paper, we have developed a low-complexity algorithm for epileptic seizure detection with a high degree of accuracy. The algorithm has been designed to be feasibly implementable as battery-powered low-power implantable epileptic seizure detection system or epilepsy prosthesis. This is achieved by utilizing design optimization techniques at different levels of abstraction. Particularly, user-specific critical parameters are identified at the algorithmic level and are explicitly used along with multiplier-less implementations at the architecture level. The system has been tested on neural data obtained from in-vivo animal recordings and has been implemented in 90nm bulk-Si technology. The results show up to 90 % savings in power as compared to prevalent wavelet based seizure detection technique while achieving 97% average detection rate. Copyright 2010 ACM.

The Application of Computational Chemistry and Chemometrics to Developing a Method for Online Monitoring of Polymer Degradation in the Manufacture of Bioresorbable Medical Implants

Bioresorbable polymers such as PLA have an important role to play in the development of temporary implantable medical devices with significant benefits over traditional therapies. However, development of new devices is hindered by high manufacturing costs associated with difficulties in processing the material. A major problem is the lack of insight on material degradation during processing. In this work, a method of quantifying degradation of PLA using IR spectroscopy coupled with computational chemistry and chemometric modeling is examined. It is shown that the method can predict the quantity of degradation products in solid-state samples with reasonably good accuracy, indicating the potential to adapt the method to developing an on-line sensor for monitoring PLA degradation in real-time during processing.

Semi-interpenetrating polymer networks incorporating polygalacturonic acid for medical device applications

Background Over 20 million people in the US are living with an implantable medical device [ADDIN RW.CITE{{3114 Higgins,DavidM 2009}}1], with similar figures anticipated for Europe. Complications in the use of medical implants include the Foreign Body Response (FBR) characterised by macrophage adherence and fusion, and device-related infection due to bacterial biofilm formationADDIN RW.CITE{{3124 Harding,JacquelineL 2014}}2. Both can have detrimental consequences on the structural and functional integrity of the medical device [ADDIN RW.CITE{{3101 Anderson,JamesM 2008; 3124 Harding,JacquelineL 2014}}2,3], often necessitating removal; a painful and expensive procedure [ADDIN RW.CITE{{3121 Mah,Thien-FahC 2001}}4]. Materials are sought to attenuate both the FBR and device-related infection, leading to medical devices with improved biocompatibility and performance. Objectives The present work involves development of a semi-interpenetrating network (SIPN) hydrogel containing polygalacturonic acid (PGA), a biopolysaccharide similar in structure to hyaluronic acid. We aim to synthesise, characterise and determine the in vitro biocompatibility of the developed SIPN. Results & Discussion We have successfully incorporated PGA into a poly(HEMA) based hydrogel, which shows favourable swelling and wettability. The surface topography appears altered in comparison to the control material, with pronounced micrometer-scale features. In terms of in vitro performance, the SIPN showed increased protein adsorption, and biofilm formation (Staphylococcus epidermidis and Escherichia coli, up to 1 Log CFU/sample greater than control). However the SIPN displayed minimal cytotoxicity towards L929 fibroblasts, and was resistant to the adherence of RAW 264.7 macrophages. Conclusions The PGA incorporated SIPN lacks cytotoxicity and shows reduced macrophage adherence, however the increased biofilm formation highlights a concern regarding possible device related infection in clinical use. Future work will focus on strategies to reduce bacterial adherence, while maintaining biocompatibility.

Monitoring of saliva pH using miniaturized sensing tools as an indicator of oral health

The monitoring of oral disease is important, not alone for oral health, but for the detection and prevention of
systemic disease. The link between oral health and systemic disease is the focus of many studies, with
indications emerging of a causal link [1]. For disease diagnostics, blood has typically been the fluid of choice
for analysis, the retrieval of which is invasive and therefore unsuitable for wearable technology. Analysis of
saliva, however, is less invasive than that of blood, requires little or no pre-treatment and is abundantly
available. A strong correlation has been found between the analytes of blood and saliva [2] with saliva
containing biomarkers for diseases such as diabetes, oral cancer and cardiovascular disease. The development of
an implantable multi-parametric wireless sensor, to monitor both salivary analytes and changes in gingival
temperature, is the aim of this research project.
The aim of our current study is to detect changes in salivary pH, using a gold electrode with a pHsensitive
iridium oxide layer, and an Ion Sensitive Field Effect Transistor probe. Characterisation studies were
carried out in artificial saliva (AS). A salivary pH of between 4.5pH-7.5pH [3], and gingival temperature
between 35°C-38°C [4], were identified as the target range of interest for the human oral environment. Sensor
measurements were recorded in solutions of varying pH and temperature. An ISFET probe was then implanted
into a prototype denture and characterised in AS. This study demonstrates the suitability of ISFET and gold
electrode pH sensors for incorporation into implantable oral sensors.
[1] G. Taylor and W. Borgnakke, “Periodontal disease: associations with diabetes, glycemic control and
complications,” Oral Dis., vol. 14, no. 3, pp. 191–203, Apr. 2008.
[2] E. Tékus, M. Kaj, E. Szabó, N. L. Szénási, I. Kerepesi, M. Figler, R. Gábriel, and M. Wilhelm,
“Comparison of blood and saliva lactate level after maximum intensity exercise,” Acta Biol. Hung., vol. 63
Suppl 1, pp. 89–98, 2012.
[3] S. Naveen, M. L. Asha, G. Shubha, A. Bajoria, and A. Jose, “Salivary Flow Rate, pH and Buffering
Capacity in Pregnant and Non Pregnant Women - A Comparative Study,” JMED Res., pp. 1–8, Feb. 2014.
[4] A. F. Holthuis and F. S. Chebib, “Observations on temperature and temperature patterns of the gingiva. I.
The effect of arch, region and health,” J. Periodontol., vol. 54, no. 10, pp. 624–628, Oct. 1983

The potential of electron beam irradiation for simultaneous surface modification and bioresorption control of PLLA for medical device applications

Bioresorbable polymers have been widely investigated as materials exhibiting significant potential for successful application in the medical fields of bone fixation devices and drug delivery. Further to the ability to control degradation, surface engineering of polymers has been highlighted as a key method central to their development. Previous work has demonstrated the ability of electron beam (e-beam) technology to control the degradation profiles and bioresorption of a number of commercially relevant bioresorbable polymers (poly-l-lactic acid (PLLA), L-lactide/ DL-lactide co-polymer (PLDL) and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA). This work investigates the further potential of e-beam technology to impart added biofunctionality through the manipulation of polymer (PLLA) surface properties. A Dynamatron Continuous DC e-beam unit (Synergy Health, UK), with beam energies of 0.5, 0.75, and 1.5 MeV, was used for the irradiation of PLLA samples with delivered surface doses of 150 or 500 kGy at each energy level. The chosen conditions reflect the need to achieve a specific surface modification for the control of surface degradation as demonstrated in previous work. Surface characterization was then performed using contact angle analysis, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Raman spectroscopy, and atomic force microscopy.
Results demonstrated a significant increase in surface wettability post e-beam treatment. In correlation with this, XPS data showed the introduction of oxygen-containing functional groups to the surface of PLLA. Raman spectroscopy indicated chain scission in the near surface region of PLLA. E-beam irradiation did not seem to affect the surface roughness of PLLA as a direct consequence of the treatment. In conclusion electron beam surface modification has been found to modify both the surface-to-bulk bioresorption profile and the surface hydrophilicity. Both could provide benefits in relation to the performance of implantable medical devices.

Characterisation of Bioresorbable Composite Performance for Validation of New On-Line Process Monitoring Technology

There is an increasing interest in the biomedical field to create implantable medical devices to provide a temporary mechanical function for use inside the human body. In many of these applications bioresorbable polymer composites using PLLA with β-TCP , are increasingly being used due to their biocompatability, biodegradability and mechanical strength.1,3 These medical devices can be manufactured using conventional plastics processing methods such as injection moulding and extrusion, however there is great need to understand and control the process due to a lack of knowledge on the influence of processing on material properties. With the addition of biocompatible additives there is also a requirement to be able to predict the quality and level of dispersion within the polymer matrix. On-line UV-Vis spectroscopy has been shown to monitor the quality of fillers in polymers. This can eliminate time consuming and costly post-process evaluation of additive dispersion. The aim of this work was to identify process and performance relationships of PLLA/β-TCP composites with respect to melt-extrusion conditions. This is part of a wider study into on-line process monitoring of bioresorbable polymers as used in the medical industry.
These results show that final properties of the PLLA/ β-TCP composite are highly influenced by the particle size and loading. UV-Vis spectroscopy can be used on-line to monitor the final product and this can be utilised as a valuable tool for quality control in an application where consistent performance is of paramount importance.

Irradiation of bioresorbable biomaterials for controlled surface degradation

Bioresorbable polymers increasingly are the materials of choice for implantable orthopaedic fixation devices. Controlled degradation of these polymers is vital for preservation of mechanical properties during tissue repair and controlled release of incorporated agents such as osteoconductive or anti-microbial additives. The work outlined in this paper investigates the use of low energy electron beam irradiation to surface modify polyhydroxyacid samples incorporating beta tricalcium phosphate (β-TCP). This work uniquely demonstrates that surface modification of bioresorbable polymers through electron beam irradiation allows for the early release of incorporated agents such as bioactive additives. Samples were e-beam irradiated at an energy of 125 keV and doses of either 150 kGy or 500 kGy. Irradiated and non-irradiated samples were degraded in phosphate buffered saline (PBS), to simulate bioresorption, followed by characterisation. The results show that low energy e-beam irradiation enhances surface hydrolytic degradation in comparison to bulk and furthermore allows for earlier release of incorporated calcium via dissolution into the surrounding medium.

Stepwise evaluation of unexplained syncope in a large ambulatory population.

BACKGROUND: Up to 60% of syncopal episodes remain unexplained. We report the results of a standardized, stepwise evaluation of patients referred to an ambulatory clinic for unexplained syncope. METHODS AND RESULTS: We studied 939 consecutive patients referred for unexplained syncope, who underwent a standardized evaluation, including history, physical examination, electrocardiogram, head-up tilt testing (HUTT), carotid sinus massage (CSM) and hyperventilation testing (HYV). Echocardiogram and stress test were performed when underlying heart disease was initially suspected. Electrophysiological study (EPS) and implantable loop recorder (ILR) were used only in patients with underlying structural heart disease or major unexplained syncope. We identified a cause of syncope in 66% of patients, including 27% vasovagal, 14% psychogenic, 6% arrhythmias, and 6% hypotension. Noninvasive testing identified 92% and invasive testing an additional 8% of the causes. HUTT yielded 38%, CSM 28%, HYV 49%, EPS 22%, and ILR 56% of diagnoses. On average, patients with arrhythmic causes were older, had a lower functional capacity, longer P-wave duration, and presented with fewer prodromes than patients with vasovagal or psychogenic syncope. CONCLUSIONS: A standardized stepwise evaluation emphasizing noninvasive tests yielded 2/3 of causes in patients referred to an ambulatory clinic for unexplained syncope. Neurally mediated and psychogenic mechanisms were behind >50% of episodes, while cardiac arrhythmias were uncommon. Sudden syncope, particularly in older patients with functional limitations or a prolonged P-wave, suggests an arrhythmic cause.

Remote control of pulmonary blood flow: a dream comes true.

The indication for pulmonary artery banding is currently limited by several factors. Previous attempts have failed to produce adjustable pulmonary artery banding with reliable external regulation. An implantable, telemetrically controlled, battery-free device (FloWatch) developed by EndoArt SA, a medical company established in Lausanne, Switzerland, for externally adjustable pulmonary artery banding was evaluated on minipigs and proved to be effective for up to 6 months. The first human implant was performed on a girl with complete atrioventricular septal defect with unbalanced ventricles, large patent ductus arteriosus and pulmonary hypertension. At one month of age she underwent closure of the patent ductus arteriosus and FloWatch implantation around the pulmonary artery through conventional left thoracotomy. The surgical procedure was rapid and uneventful. During the entire postoperative period bedside adjustments (narrowing or release of pulmonary artery banding with echocardiographic assessment) were repeatedly required to maintain an adequate pressure gradient. The early clinical results demonstrated the clinical benefits of unlimited external telemetric adjustments. The next step will be a multi-centre clinical trial to confirm the early results and adapt therapeutic strategies to this promising technology.

The Origin and Stimuli Implicated in the Expression of Nestin(+) Cardiac Myocyte-like Cells in the Ischemic Heart

Nos études ont démontrées que la formation de la cicatrice et la guérison sont associées avec l’apparition de cellules de type myocytes cardiaques nestine(+) dans la région péri-infarcie. Présentement, l’étude examine le mécanisme, tel que l’hypoxie ou les hormones neuronales, possiblement impliqué dans leur recrutement et de dévoiler leur origine cellulaire. La présence de ces cellules a été détectée dans les coeurs infarcies d’une semaine et maintenue après neuf mois suite à une sujétion coronaire complète. Aussi, ces cellules de type myocytes cardiaques nestine(+) ont été observées dans le coeur infarci humain. L’hypoxie représente un événement prédominant suite à un infarctus de myocarde, mais l’exposition des rats normaux à un environnement hypoxique n’a pas pu promouvoir l’apparition de ces cellules. Autrement, l’infusion de l’agoniste -adrénergique non-sélectif isoprotérénol (ISO) dans les rats adultes Sprague-Dawley a augmenté la protéine nestine dans le ventricule gauche et a été associé avec la réapparition de cellules de type myocytes cardiaques nestine(+). Cela représente possiblement un effet secondaire suite à la nécrose des myocytes cardiaques par l’administration d’isoprotérénol. Dernièrement, on a identifié une sous-population de cellules nestine(+) dans le coeur normal du rat qui co-exprime les marqueurs de cellules cardiaques progénitrices Nkx-2.5 et GATA-4. Cette sous-population de cellules nestine/Nkx-2.5/GATA-4 pourrait représenter des substrats cellulaires qui puissent se différentier en cellules de type myocytes cardiaques nestine(+) suite à une ischémie. Mots clés: nestine, isoprotérénol, nécrose, cellule souche, cellule progénitrice, myocyte cardiaque

Étude du comportement électromécanique du ventricule gauche canin sous différents modes de stimulation

La thérapie de resynchronisation cardiaque (CRT) est un traitement qui diminue la mortalité et améliore la qualité de vie des patients atteints d’insuffisance cardiaque et présentant un dyssynchronisme de la contraction ventriculaire gauche. Malgré le succès de cette thérapie, plus de 30% des patients ne présentent pas l’amélioration désirée. Plusieurs études portant sur le synchronisme électrique ou mécanique de la contraction ont été effectuées mais peu d’entres elles se sont attardées sur le couplage électromécanique à l'échelle macroscopique. Ce projet a comme objectif d’observer le comportement électromécanique des ventricules canins en présence d’un resynchronisateur cardiaque. Un logiciel a été développé pour permettre l’analyse des informations provenant de la cartographie endocardique sans contact et de la ventriculographie isotopique tomographique chez 12 sujets canins insuffisants. Pour observer la réponse mécanique suite à l’activation électrique, nous avons premièrement recalé les surfaces issues des 2 modalités. Ensuite, nous avons défini les limites du cycle cardiaque, analysé les signaux électriques et les courbes de déplacement de la paroi endocardique. Le début de la contraction est défini par un déplacement radial de 10% vers le centre du ventricule. Les résultats démontrent que la durée d’activation du ventricule gauche et la largeur du QRS augmentent en présence d’une stimulation externe et que les délais électromécaniques sont indépendants dans les modes de stimulation étudiés (sinusal, LVbasal, RVapex ou BIV) avec une moyenne de 84,56±7,19 ms. Finalement, nous avons noté que la stimulation basolatérale procure une fonction cardiaque optimale malgré une durée prolongée du QRS.

Étude de la sensibilité baroréceptive en sommeil et à l’éveil dans l’insomnie primaire chronique

L’insomnie, une condition fréquemment retrouvée dans la population, se caractérise d’abord par une difficulté à initier ou à maintenir le sommeil et/ou par des éveils précoces le matin ou encore par un sommeil non-réparateur. Lorsqu’elle n’est pas accompagnée par des troubles psychiatriques ou médicaux ou un autre trouble de sommeil et qu’elle perdure plus de 6 mois on parle alors d’insomnie primaire chronique. Selon certains, cette condition serait associée à un état d’hyperéveil caractérisé par une augmentation de l’activité autonome sympathique durant le sommeil et l’éveil. Le baroréflexe est un important mécanisme de contrôle à court terme des fluctuations de la tension artérielle (TA) et de la fréquence cardiaque agissant sur le cœur et les vaisseaux sanguins par l’entremise du système nerveux autonome. On appelle sensibilité baroréceptive (SBR) la capacité du baroréflexe de réagir et de contrôler les fluctuations de TA en modulant le rythme cardiaque. De manière générale, la SBR serait augmentée durant la nuit par rapport à la journée. Aussi, il semblerait que le baroréflexe soit impliqué dans le phénomène de baisse physiologique de la TA pendant la nuit. Or, des données de notre laboratoire ont démontré une augmentation de la TA systolique au cours de la nuit ainsi qu’une atténuation de la baisse nocturne de TA systolique chez des sujets avec insomnie primaire chronique comparé à des témoins bons dormeurs. De plus, il a été démontré que le baroréflexe était altéré de façon précoce dans plusieurs troubles cardiovasculaires et dans l’hypertension artérielle. Or, il semblerait que l’insomnie soit accompagnée d’un risque accru de développement de l’hypertension artérielle. Ces études semblent aller dans le sens d’une altération des mécanismes de régulation de la TA dans l’insomnie. Par ailleurs, une réduction de la SBR serait aussi impliquée dans des états associés à une augmentation de l’activité autonome sympathique. Ainsi, nous nous sommes demandé si le baroréflexe pouvait constituer un des mécanismes de contrôle de la TA qui serait altéré dans l’insomnie et pourrait être impliqué dans l’augmentation de l’activité sympathique qui semble accompagner l’insomnie. Jusqu’à présent, le baroréflexe reste inexploré dans l’insomnie. L’objectif principal de ce mémoire était d’évaluer de façon non-invasive la SBR à l’éveil et en sommeil chez 11 sujets atteints d’insomnie primaire chronique comparé à 11 témoins bons dormeurs. L’évaluation du baroréflexe a été effectuée de façon spontanée par la méthode de l’analyse en séquence et par le calcul du coefficient alpha obtenu par l’analyse spectrale croisée de l’intervalle RR et de la TA systolique. De façon concomitante, les paramètres de la variabilité de l’intervalle RR en sommeil et à l’éveil ont aussi été comparés chez ces mêmes sujets. Aucune différence significative n’a été notée au niveau des index de la SBR entre le groupe d’insomniaques et celui des bons dormeurs, à l’éveil ou en sommeil. Cependant, on observe des valeurs légèrement plus faibles de la SBR chez les insomniaques ayant mal dormi (efficacité de sommeil (ES) < 85%) comparés aux insomniaques ayant bien dormi (ES≥ 85%) à la nuit expérimentale durant l’éveil et en sommeil. Par ailleurs, aucune différence n’a été notée entre le groupe d’insomniaques et celui des bons dormeurs au niveau des paramètres de la variabilité RR considérés (intervalle RR, PNN50, LF et HF en valeurs normalisées). En effet, les insomniaques tout comme les bons dormeurs semblent présenter une variation normale de l’activité autonome en sommeil, telle que représentée par les paramètres de la variabilité RR. Ces résultats préliminaires semblent suggérer que les mécanismes du baroréflexe sont préservés chez les sujets atteints d’insomnie primaire chronique tels que diagnostiqués de manière subjective. Cependant, il est possible qu’une altération des mécanismes du baroréflexe ne se révèle chez les insomniaques que lorsque les critères objectifs d’une mauvaise nuit de sommeil sont présents.

Modulation of Oxytocin Receptors in Right Ventricular Hypertrophy

L’hypertension pulmonaire (HP) est une maladie dont l’étiologie est inconnue et qui entraîne ultimement une défaillance du ventricule droit (VD) et le décès. L’HP peut être induite chez le rat par la la monocrotaline (MCT), un alcaloïde pyrrolizidique extrait de la plante Crotalaria Spectabilis, causant des lésions à l’endothélium des artères pulmonaires, menant à un épaississement de ces dernières et à une augmentation de la résistance vasculaire. Ceci à pour conséquence de causer une hypertrophie du VD, de l’inflammation, une dysfonction endothéliale NO-dépendante des artères coronariennes et une augmentation des peptides natriurétiques circulants. Objectif: Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle l’étiopathologie de l’HP impliquerait le récepteur à ocytocine (OTR) dû à son implication fonctionnelle avec les cytokines inflammatoires et la libération du peptide natriurétique atrial (ANP) et du NO. Méthodes: Des rats mâles Sprague-Dawley pesant 220-250g reçurent une seule injection sous-cutanée de MCT (60 mg/kg). 6 à 7 semaines (46±1 jours) suivant l’injection, les rats furent sacrifiés et l’expression génique et protéique fut déterminée par PCR en temps réel et par western blot, respectivement, dans le VD et le ventricule gauche (VG) Résultats: Les rats traités au MCT démontrèrent une augmentation significative du VD. Une hypertrophie du VD était évidente puisque le ratio du VD sur le VG ainsi que le poids du septum étaient près de 77% plus élevés chez les rats traités au MCT que chez les rats contrôles. Le traitement au MCT augmenta l’expression génique d’ANP (3.7-fois dans le VG et 8-fois dans le VD) ainisi que le NP du cerveau (2.7-fois dans le VG et 10-fois dans le VD). Les transcrits de trois récepteurs de NP augmentèrent significativement (0.3-2 fois) seulement dans le VD. L’expression protéique de la NO synthase (iNOS) fut également augmentée de façon sélective dans le VD. Par contre, les transcripts de NOS endothéliale et de NOS neuronale étaient plus élevés (0.5-2 fold) dans le VG. L’ARNm et l’expression protéique d’OTR furent diminués de 50% dans le VD, tandis qu’une augmentation de l’expression des cytokines IL-1β and IL-6 fut observée. L’ARNm de Nab1, un marqueur d’hypertrophie pathologique, fut augmentée de deux-fois dans le VD. Conclusion: L’augmentation d’expression génique de NP dans le VD des rats traités au MCT est associée à une augmentation des transcripts du récepteur NP, suggérant une action locale de NP dans le VD durant l’HP. L’expression d’OTR est atténuée dans le VD, possiblement par des cytokines inflammatoires puisque le promoteur du gène de l’OTR contient de multiples éléments de réponse aux interleukines. Diminuer l’expression d’OTR dans le VD durant l’hypertension pulmonaire pourrait influencer de manière positive la fonction cardiaque car l’OTR régule la contractilité et le rythme cardiaque. Mots clés: hypertension pulmonaire, hypertrophie du ventricule droit monocrotaline, récepteur à ocytocine, inflammation, peptides natriurétiques.