Computational and Experimental Investigation of the Grooved Roll in Paper Machine Environment

In the paper machine, it is not a desired feature for the boundary layer flows in the fabric and the roll surfaces to travel into the closing nips, creating overpressure. In this thesis, the aerodynamic behavior of the grooved roll and smooth rolls is compared in order to understand the nip flow phenomena, which is the main reason why vacuum and grooved roll constructions are designed. A common method to remove the boundary layer flow from the closing nip is to use the vacuum roll construction. The downside of the use of vacuum rolls is high operational costs due to pressure losses in the vacuum roll shell. The deep grooved roll has the same goal, to create a pressure difference over the paper web and keep the paper attached to the roll or fabric surface in the drying pocket of the paper machine. A literature review revealed that the aerodynamic functionality of the grooved roll is not very well known. In this thesis, the aerodynamic functionality of the grooved roll in interaction with a permeable or impermeable wall is studied by varying the groove properties. Computational fluid dynamics simulations are utilized as the research tool. The simulations have been performed with commercial fluid dynamics software, ANSYS Fluent. Simulation results made with 3- and 2-dimensional fluid dynamics models are compared to laboratory scale measurements. The measurements have been made with a grooved roll simulator designed for the research. The variables in the comparison are the paper or fabric wrap angle, surface velocities, groove geometry and wall permeability. Present-day computational and modeling resources limit grooved roll fluid dynamics simulations in the paper machine scale. Based on the analysis of the aerodynamic functionality of the grooved roll, a grooved roll simulation tool is proposed. The smooth roll simulations show that the closing nip pressure does not depend on the length of boundary layer development. The surface velocity increase affects the pressure distribution in the closing and opening nips. The 3D grooved roll model reveals the aerodynamic functionality of the grooved roll. With the optimal groove size it is possible to avoid closing nip overpressure and keep the web attached to the fabric surface in the area of the wrap angle. The groove flow friction and minor losses play a different role when the wrap angle is changed. The proposed 2D grooved roll simulation tool is able to replicate the grooved aerodynamic behavior with reasonable accuracy. A small wrap angle predicts the pressure distribution correctly with the chosen approach for calculating the groove friction losses. With a large wrap angle, the groove friction loss shows too large pressure gradients, and the way of calculating the air flow friction losses in the groove has to be reconsidered. The aerodynamic functionality of the grooved roll is based on minor and viscous losses in the closing and opening nips as well as in the grooves. The proposed 2D grooved roll model is a simplification in order to reduce computational and modeling efforts. The simulation tool makes it possible to simulate complex paper machine constructions in the paper machine scale. In order to use the grooved roll as a replacement for the vacuum roll, the grooved roll properties have to be considered on the basis of the web handling application.

3D Stripixel Detectors Simulation

Solid-state silicon detectors have replaced conventional ones in almost all recent high-energy physics experiments. Pixel silicon sensors don't have any alternative in the area near the interaction point because of their high resolution and fast operation speed. However, present detectors hardly withstand high radiation doses. Forthcoming upgrade of the LHC in 2014 requires development of a new generation of pixel detectors which will be able to operate under ten times increased luminosity. A planar fabrication technique has some physical limitations; an improvement of the radiation hardness will reduce sensitivity of a detector. In that case a 3D pixel detector seems to be the most promising device which can overcome these difficulties. The objective of this work was to model a structure of the 3D stripixel detector and to simulate electrical characteristics of the device. Silvaco Atlas software has been used for these purposes. The structures of single and double sided dual column detectors with active edges were described using special command language. Simulations of these detectors have shown that electric field inside an active area has more uniform distribution in comparison to the planar structure. A smaller interelectrode space leads to a stronger field and also decreases the collection time. This makes the new type of detectors more radiation resistant. Other discovered advantages are the lower full depletion voltage and increased charge collection efficiency. So the 3D stripixel detectors have demonstrated improved characteristics and will be a suitable replacement for the planar ones.

Mobiiliavusteisen rakennusprojektin seurantajärjestelmän suunnittelu ja toteutus

In the construction industry, the role of project management and monitoring is emphasized, because the responsibilities have been carefully planned and divided. A concrete element factory manufactures the units based on construction drawings, while a transport company is responsible of transporting the elements to the worksite. At the worksite, an installation team assembles the elements according to plans. Usually, there are several manufacturers and transport companies involved in the construction process and the distances between different parties can be rather long. Therefore, the role of information exchange is critical in order to control, for example, schedules and exceptions. From the viewpoint of project management, the whole process should be controlled and monitored in realtime - in such a way that the managers are able to analyze and report the data afterwards. In this master’s thesis, a mobile-aided construction project monitoring system is designed and implemented. The monitoring system consists of three main components: mobile phone application, server software and an interface application to Tekla Structures BIM-software. Precast construction components, projects and users are identified by using 2D-barcodes that are read with the camera of a mobile phone. An option would be to use RFID tags and readers. After successful identification, the precast component can be tagged with monitoring data, including state acknowledgments and error reports that are sent and saved to the server. Collected data can be viewed through the www-pages of the monitoring system. In addition, the data can be synchronized to the Tekla Structures-software that is running the 3D-model of the whole building. Synchronization maintains and enhances the traceability of monitoring data, as well as, helps to visualize the progression of the project.

A Farewell to Flat Biology. Three-dimensional Cell Culture Models in Cancer Drug Target Identification and Validation

Cells of epithelial origin, e.g. from breast and prostate cancers, effectively differentiate into complex multicellular structures when cultured in three-dimensions (3D) instead of conventional two-dimensional (2D) adherent surfaces. The spectrum of different organotypic morphologies is highly dependent on the culture environment that can be either non-adherent or scaffold-based. When embedded in physiological extracellular matrices (ECMs), such as laminin-rich basement membrane extracts, normal epithelial cells differentiate into acinar spheroids reminiscent of glandular ductal structures. Transformed cancer cells, in contrast, typically fail to undergo acinar morphogenic patterns, forming poorly differentiated or invasive multicellular structures. The 3D cancer spheroids are widely accepted to better recapitulate various tumorigenic processes and drug responses. So far, however, 3D models have been employed predominantly in the Academia, whereas the pharmaceutical industry has yet to adopt a more widely and routine use. This is mainly due to poor characterisation of cell models, lack of standardised workflows and high throughput cell culture platforms, and the availability of proper readout and quantification tools. In this thesis, a complete workflow has been established entailing well-characterised 3D cell culture models for prostate cancer, a standardised 3D cell culture routine based on high-throughput-ready platform, automated image acquisition with concomitant morphometric image analysis, and data visualisation, in order to enable large-scale high-content screens. Our integrated suite of software and statistical analysis tools were optimised and validated using a comprehensive panel of prostate cancer cell lines and 3D models. The tools quantify multiple key cancer-relevant morphological features, ranging from cancer cell invasion through multicellular differentiation to growth, and detect dynamic changes both in morphology and function, such as cell death and apoptosis, in response to experimental perturbations including RNA interference and small molecule inhibitors. Our panel of cell lines included many non-transformed and most currently available classic prostate cancer cell lines, which were characterised for their morphogenetic properties in 3D laminin-rich ECM. The phenotypes and gene expression profiles were evaluated concerning their relevance for pre-clinical drug discovery, disease modelling and basic research. In addition, a spontaneous model for invasive transformation was discovered, displaying a highdegree of epithelial plasticity. This plasticity is mediated by an abundant bioactive serum lipid, lysophosphatidic acid (LPA), and its receptor LPAR1. The invasive transformation was caused by abrupt cytoskeletal rearrangement through impaired G protein alpha 12/13 and RhoA/ROCK, and mediated by upregulated adenylyl cyclase/cyclic AMP (cAMP)/protein kinase A, and Rac/ PAK pathways. The spontaneous invasion model tangibly exemplifies the biological relevance of organotypic cell culture models. Overall, this thesis work underlines the power of novel morphometric screening tools in drug discovery.

Kattilan ja kanaviston eristykset 3D-laitossuunnitteluohjelmassa

Työn tavoitteena oli kehittää kanavistojen ja kattilan eristyksien mallintamista 3D-laitossuunitteluohjelmassa sekä siitä saatavia materiaalilistoja. Kanavistojen eristeitä kuvastavaa geometriaa muokattiin vastaamaan eristyksen todellista tilanvarausta. Kattilan eristyksen mallintaminen on aikaisemmin jouduttu tekemään manuaalisesti, työssä kehitettiin työkalu, jonka avulla eristysten materiaalitiedot ja oikeat tilanvaraukset saadaan lisättyä 3D-malliin. Kaikkia eristyksen mallintamista ei kuitenkaan pystytä mielekkäästi toteuttamaan automaattisesti työkalujen avulla, näitä kohteita ovat tukikehikkorakenteet kuten kattilan vinttikehikko. Lisäksi täytyi selvittää, mitä tietoja eristyksien materiaalimäärälistoille vaaditaan, ja kuinka nämä tiedot saataisiin listoihin mukaan. Jotta kaikki eristettävät kohteet saadaan tuotettaviin materiaalilistoihin, on ohjelmaan lisättävä käytettäväksi uusia komponentteja. Näitä ovat uudet kanavistojen osat sekä muun muassa venturit ja huoltoluukut kanavistoille. Kattilaan asennettavat laitteet kuten näkölasit ja polttimet vaativat tukirakenteen, joka samalla toimii kotelona putkistojen taivutuksille. Näitä kohteita on aikaisemmin tuotu vanhoista projekteista tai ne on tehty suunnittelijan toimesta uusiksi. Työssä esitettiin uusi tapa mallintaa kattilan pinnat, jolloin niihin voidaan liittää koteloita erillisestä komponenttikirjastosta. Kanavistojen eristyksien materiaalimäärälistojen tuottaminen suoraan ohjelmasta auto-matisoitiin. Kattilan ja siihen liittyvien eristyskehysrakenteiden listojen tuotanto kuitenkin vaatii yhteisten toimintamallien kehittämistä. Tämän työn uudet menetelmät mahdollistavat yhä uusien työkalujen kehittämisen, esimerkiksi automaattisen eristysten teknisten piirustusten kuvatuotannon tulevaisuudessa.

3D-tulostettu tuuliturbiinin vaihteen pienoismalli

Työn aiheena on vaihteen pienoismallin suunnittelu ja toteutus 3d-tulostusta hyväksi käyttäen. Pienoismalli tehdään Moventas Gears Oy:n suunnittelemasta tuuliturbiinin vaihteesta. Vaihteen pienentämisestä johtuen malliin on suunniteltava uudet laakeripesät ja hammaspyörät. 3D-tulostuksen ja pienoismallin pienen koon ansiosta vaihdetta voidaan yksinkertaistaa suuresti ja näin vähentää tulostettavien osien määrää. Lisäksi työssä selvitetään, mitä ongelmia 3D-tulostus tuo valmistukseen ja suunnitteluun. Työn kirjallisessa osassa selvennetään planeettavaihteen toimintaa yleisesti sekä esitellään Exceed Series 3+ vaihdetta. Lisäksi kerrotaan 3D-tulostuksesta, sen periaatteesta, erilaisista tulostusmenetelmistä, tulostinlaitteesta ja mahdollisista ongelmista tulostuksessa. Kokeellinen osa koostuu pienoismallin suunnittelusta ja valmistuksesta. Valmistuksessa olleiden virheiden takia muutama osa jouduttiin tulostamaan uudelleen. Muutamia osia jouduttiin myös hieman jälkikäsittelemään tulostuksen jälkeen, jotta malli saatiin kasattua. Ongelmakohdaksi muodostui tulostimen ohjelmisto ja tulostustiedostot. Tulostusprosessi sujui kuitenkin hyvin. Lopputuloksena saatiin toimiva pienoismalli. 3D-tulostus toimii hyvin monimutkaisten kappaleiden tulostuksessa. Tulostuksen hinta nousi kuitenkin varsin korkeaksi. Tulostuslaitteistosta riippuen tulostuksen voisi mahdollisesti suorittaa myös halvemmallakin.

Development of 3D super-resolution tomographic STED microscopy and its application to studies on bone resorption

In this doctoral thesis, a tomographic STED microscopy technique for 3D super-resolution imaging was developed and utilized to observebone remodeling processes. To improve upon existing methods, wehave used a tomographic approach using a commercially available stimulated emission depletion (STED) microscope. A certain region of interest (ROI) was observed at two oblique angles: one at a standard inverted configuration from below (bottom view) and another from the side (side view) via a micro-mirror positioned close to the ROI. The two viewing angles were reconstructed into a final tomogram. The technique, named as tomographic STED microscopy, was able to achieve an axial resolution of approximately 70 nm on microtubule structures in a fixed biological specimen. High resolution imaging of osteoclasts (OCs) that are actively resorbing bone was achieved by creating an optically transparent coating on a microscope coverglass that imitates a fractured bone surface. 2D super-resolution STED microscopy on the bone layer showed approximately 60 nm of lateral resolution on a resorption associated organelle allowing these structures to be imaged with super-resolution microscopy for the first time. The developed tomographic STED microscopy technique was further applied to study resorption mechanisms of OCs cultured on the bone coating. The technique revealed actin cytoskeleton with specific structures, comet-tails, some of which were facing upwards and some others were facing downwards. This, in our opinion, indicated that during bone resorption, an involvement of the actin cytoskeleton in vesicular exocytosis and endocytosis is present. The application of tomographic STED microscopy in bone biology demonstrated that 3D super-resolution techniques can provide new insights into biological 3D nano-structures that are beyond the diffraction-limit when the optical constraints of super-resolution imaging are carefully taken into account.

Pituusleikkureiden 3D-suunnittelun kehittäminen

Tämä diplomityö tehtiin Valmet Technologies Oy:n Järvenpään toimipisteelle. Työn tavoitteena oli tutkia miten pituusleikkureiden 3D-suunnittelua voidaan tehostaa hyödyntämällä uuden 3D-CAD -järjestelmän ominaisuuksia optimaalisesti. Työ koostuu teoriaosuudesta, haastattelututkimuksesta sekä käytännön osuudesta. Teoriaosuudessa perehdytään pituusleikkurin toimintaan ja rakenteeseen, 3D-suunnittelun teoriaan sekä CATIA-järjestelmään. Teoriaosuudessa etsitään myös uusia näkökulmia 3D-suunnitteluun. Haastattelututkimuksessa kartoitetaan nykyinen suunnitteluprosessi, suunnittelun kehitettäviä kohteita, sekä käytössä olevia suunnittelumenetelmiä, jotka ovat todettu toimiviksi. Haastattelututkimuksessa haastatellaan Valmet Technologies Oy:n Järvenpään toimipisteessä työskenteleviä pituusleikkureiden pääsuunnittelijoita sekä heidän esimiehiään. Lisäksi erillisten haastattelujen avulla kerätään kokemuksia CATIA V6 -ohjelmiston käytöstä sekä suunnitteluohjelmiston vaihtumisesta. Käytännön osuuden tavoitteena on arvioida pituusleikkurin parametroitujen mallirakenteiden siirtämiseen sekä korjauksiin kuluvia aikamääriä kyseisiin toimenpiteisiin tarvittavien resurssien määrittämiseksi. Käytännön osuudessa siirretään kaksi Valmet OptiWin Drum Compact -pituusleikkurin parametroitua osakokonaisuutta uuteen CAD-järjestelmään ja niille suoritetaan tarvittavat korjaustoimenpiteet Tutkimuksen tulosten perusteella yhteisen mallinnusmetodologian puuttuminen on merkittävin kehityskohde suunnittelun kehittämisessä. Lopuksi luotiin kehitysehdotukset sekä implementointisuunnitelma, joiden avulla pituusleikkureiden 3D-suunnittelua voidaan kehittää ja CATIA V6 -ohjelmisto voidaan ottaa käyttöön tehokkaasti.

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.

Développement et validation d’un outil clinique pour l’analyse quantitative de la posture auprès de personnes atteintes d’une scoliose idiopathique

La scoliose idiopathique (SI) est une déformation tridimensionnelle (3D) de la colonne vertébrale et de la cage thoracique à potentiel évolutif pendant la croissance. Cette déformation 3D entraîne des asymétries de la posture. La correction de la posture est un des objectifs du traitement en physiothérapie chez les jeunes atteints d’une SI afin d’éviter la progression de la scoliose, de réduire les déformations morphologiques et leurs impacts sur la qualité de vie. Les outils cliniques actuels ne permettent pas de quantifier globalement les changements de la posture attribuables à la progression de la scoliose ou à l’efficacité des interventions thérapeutiques. L’objectif de cette thèse consiste donc au développement et à la validation d’un nouvel outil clinique permettant l’analyse quantitative de la posture auprès de personnes atteintes d’une SI. Ce projet vise plus spécifiquement à déterminer la fidélité et la validité des indices de posture (IP) de ce nouvel outil clinique et à vérifier leur capacité à détecter des changements entre les positions debout et assise. Suite à une recension de la littérature, 34 IP représentant l’alignement frontal et sagittal des différents segments corporels ont été sélectionnés. L’outil quantitatif clinique d’évaluation de la posture (outil 2D) construit dans ce projet consiste en un logiciel qui permet de calculer les différents IP (mesures angulaires et linéaires). L’interface graphique de cet outil est conviviale et permet de sélectionner interactivement des marqueurs sur les photographies digitales. Afin de vérifier la fidélité et la validité des IP de cet outil, la posture debout de 70 participants âgés entre 10 et 20 ans atteints d'une SI (angle de Cobb: 15º à 60º) a été évaluée à deux occasions par deux physiothérapeutes. Des marqueurs placés sur plusieurs repères anatomiques, ainsi que des points de référence anatomique (yeux, lobes des oreilles, etc.), ont permis de mesurer les IP 2D en utilisant des photographies. Ces mêmes marqueurs et points de référence ont également servi au calcul d’IP 3D obtenus par des reconstructions du tronc avec un système de topographie de surface. Les angles de Cobb frontaux et sagittaux et le déjettement C7-S1 ont été mesurés sur des radiographies. La théorie de la généralisabilité a été utilisée pour déterminer la fidélité et l’erreur standard de la mesure (ESM) des IP de l’outil 2D. Des coefficients de Pearson ont servi à déterminer la validité concomitante des IP du tronc de l’outil 2D avec les IP 3D et les mesures radiographiques correspondantes. Cinquante participants ont été également évalués en position assise « membres inférieurs allongés » pour l’étude comparative de la posture debout et assise. Des tests de t pour échantillons appariés ont été utilisés pour détecter les différences entre les positions debout et assise. Nos résultats indiquent un bon niveau de fidélité pour la majorité des IP de l’outil 2D. La corrélation entre les IP 2D et 3D est bonne pour les épaules, les omoplates, le déjettement C7-S1, les angles de taille, la scoliose thoracique et le bassin. Elle est faible à modérée pour la cyphose thoracique, la lordose lombaire et la scoliose thoraco-lombaire ou lombaire. La corrélation entre les IP 2D et les mesures radiographiques est bonne pour le déjettement C7-S1, la scoliose et la cyphose thoracique. L’outil est suffisamment discriminant pour détecter des différences entre la posture debout et assise pour dix des treize IP. Certaines recommandations spécifiques résultents de ce projet : la hauteur de la caméra devrait être ajustée en fonction de la taille des personnes; la formation des juges est importante pour maximiser la précision de la pose des marqueurs; et des marqueurs montés sur des tiges devraient faciliter l’évaluation des courbures vertébrales sagittales. En conclusion, l’outil développé dans le cadre de cette thèse possède de bonnes propriétés psychométriques et permet une évaluation globale de la posture. Cet outil devrait contribuer à l’amélioration de la pratique clinique en facilitant l’analyse de la posture debout et assise. Cet outil s’avère une alternative clinique pour suivre l’évolution de la scoliose thoracique et diminuer la fréquence des radiographies au cours du suivi de jeunes atteints d’une SI thoracique. Cet outil pourrait aussi être utile pour vérifier l’efficacité des interventions thérapeutiques sur la posture.

Optimization and validation of a new 3D-US imaging robot to detect, localize and quantify lower limb arterial stenoses

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients. L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5).

Reconstruction 3D des artères par imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) et angiographie monoplan

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Morphologic evaluation of ruptured abdominal aortic aneurysm by 3D modeling

This thesis was created in Word and converted to PDF using Mac OS X 10.7.5 Quartz PDFContext.

Construction interactive de BRDFs par simulation 2D de micro-géométries en couches multiples

Les modèles de réflexion complexes, avec leurs nombreux paramètres dont certains restent non intuitifs, sont difficiles à contrôler pour obtenir une apparence désirée. De plus, même si un artiste peut plus aisément comprendre la forme de la micro-géométrie d'une surface, sa modélisation en 3D et sa simulation en 4D demeurent extrêmement fastidieuses et coûteuses en mémoire. Nous proposons une solution intermédiaire, où l'artiste représente en 2D une coupe dans un matériau, en dessinant une micro-géométrie de surface en multi-couches. Une simulation efficace par lancer de rayons en seulement 2D capture les distributions de lumière affectées par les micro-géométries. La déviation hors-plan est calculée automatiquement de façon probabiliste en fonction de la normale au point d'intersection et de la direction du rayon incident. Il en résulte des BRDFs isotropes complètes et complexes, simulées à des vitesses interactives, et permettant ainsi une édition interactive de l'apparence de réflectances riches et variées.

Suivi des vaisseaux sanguins en temps réel à partir d’images ultrasonores mode-B et reconstruction 3D : application à la caractérisation des sténoses artérielles

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain.