Polytypism and Silicon carbide : a solid state nuclear magnetic resonance study

A survey of predominantly industrial silicon carbide has been carried out using Magic Angle Spinning nuclear magnetic resonance (MAS nmr); a solid state technique. Three silicon carbide polytypes were studied; 3C, 6H, and 15R. The 13C and 29 Si MAS nmr spectra of the bulk SiC sample was identified on the basis of silicon (carbon) site type in the d iff ere n t pol Y t Y pes • Out to 5.00 A fro mac en t r a lsi 1 i con (0 r carbon) atom four types of sites were characterized using symmetry based calculations. This method of polytype analysis was also considered, in the prelminary stages, for applications with other polytypic material; CdBr 2 , CdI 2 , and PbI 2 " In an attempt to understand the minor components of silicon carbide, such as its surface, some samples were hydrofluoric acid washed and heated to extreme temperatures. Basically, an HF removable species which absorbs at -110 ppm (Si0 2 ) in the 29 Si MAS nmr spectrum is found in silicon carbide after heating. Other unidentified peaks observed at short recycle delays in some 29 Si MAS nmr spectra are considered to be impurities that may be within the lattice. These components comprise less than 5% of the observable silicon. A Tl study was carried out for 29 Si nuclei in a 3C ii polytype sample, using the Driven Equilibrium Single-Pulse Observation of T1 (DESPOT) technique. It appears as though there are a number of nuclei that have the same chemical shift but different T1 relaxation times. The T1 values range from 30 seconds to 11 minutes. Caution has to be kept when interpreting these results because this is the first time that DESPOT has been used for solid samples and it is not likely in full working order. MAS nmr indicates that the 13C and 29 Si ~sotropic chemical shifts of silicon carbide appear to have a reciprocal type of relationship_ Single crystal nmr analysis of a 6H sample is accordance with this finding when only the resultant isotropic shift is considered. However, single crystal nmr also shows that the actual response of the silicon and carbon nuclear environment to the applied magnetic field at various angles is not at all reciprocal. Such results show that much more single crystal nmr work is required to determine the actual behavior of the local magnetic environment of the SiC nuclei.

A time-resolved electron paramagnetic resonance spectroscopy study of paramagnetic porphyrins /

There is considerable interest in intramolecular energy transfer, especially in complexes which absorb visible light, because it is crucial to the better understanding of photoharvesting systems in photosynthetic organisms and for utilizing solar energy as well. Porphyrin dimers represent one of the best systems for the exploration of light-induced intramolecular energy transfer. Many kinds of porphyrins and porphyrin dimers have been studied over the past decade, however little attention has been paid to the influence of paramagnetic metals on the behavior of their excited states. In this thesis, Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy (EPR) is used to study such compounds. After light irradiation, porphyrins easily produce a variety of excited states, which are spin polarized and can be detected by the time-resolved (TR) EPR technique. The spin polarized results for vanadyl porphyrins, their electrostatically-coupled dimers, a covalently-linked copper porphyrin-free base porphyrin dimer, and free base porphyrins are presented in this thesis. From these results we can conclude that the spin polarization patterns of vanadyl porphyrins come primarily from the trip-quartet state generated by intersystem crossing (lSC) from the excited sing-doublet state through the trip-doublet state. The spin polarization pattern of electrostatically-coupled vanadyl porphyrin-free base porphyrin dimer is produced by the triplet state of the free base porphyrin half which is coupled to the unpaired electron on the vanadyl ion.

Orientation of Non-Native 2-Monosubstituted and 2,3-Disubstituted 1,4-Naphthoquinones in the A1 binding site of PSI and the effect on the rate of electron transfer : an electron paramagnetic resonance spectroscopy study

The proce-ss ofoxygenic photosynthesis is vital to life on Earth. the central event in photosynthesis is light induced electron transfer that converts light into energy for growth. Ofparticular significance is the membrane bound multisubunit protein known as Photosystem I (PSI). PSI is a reaction centre that is responsible for the transfer of electrons across the membrane to reduce NADP+ to NADPH. The recent publication ofa high resolution X-ray structure of PSI has shown new information about the structure, in particular the electron transfer cofactors, which allows us to study it in more detail. In PSI, the secondary acceptor is crucial for forward electron transfer. In this thesis, the effect of removing the native acceptor phylloquinone and replacing it with a series of structurally related quinones was investigated via transient electron paramagnetic resonance (EPR) experiments. The orientation of non native quinones in the binding site and their ability to function in the electron transfer process was determined. It was found that PSI will readily accept alkyl naphthoquinones and anthraquinone. Q band EPR experiments revealed that the non-native quinones are incorporated into the binding site with the same orientation of the headgroup as in the native system. X band EPR spectra and deuteration experiments indicate that monosubstituted naphthoquinones are bound to the Al site with their side group in the position occupied by the methyl group in native PSI (meta to the hydrogen bonded carbonyl oxygen). X band EPR experiments show that 2, 3- disubstituted methyl naphthoquinones are also incorporated into the Al site in the same orientation as phylloquinone, even with the presence of a halogen- or sulfur-containing side chain in the position normally occupied by the phytyl tail ofphylloquinone. The exception to this is 2-bromo-3-methyl --.- _. -. - -- - - 4 _._ _ _ - _ _ naphthoquinone which has a poorly resolved spectrum, making determination of the orientation difficuh. All of the non-native quinones studied act as efficient electron acceptors. However, forward electron transfer past the quinone could only be demonstrated for anthraquinone, which has a more negative midpoint potential than phylloquinone. In the case of anthraquinone, an increased rate of forward electron transfer compared to native PSI was found. From these results we can conclude that the rate ofelectron transfer from Al to Fx in native PSI lies in the normal region ofthe Marcus Curve.

Transient and Pulsed Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy on Type I Photosynthetic Reaction Centers

Two time-resolved EPR techniques, have been used to study the light induced electron transfer(ET) in Type I photosynthetic reaction centers(RCs). First, pulsed EPR was used to compare PsaA-M688H and PsaB-M668H mutants of Chlamydomonas reinhardtii and Synechosystis sp. PCC 6803.The out-of-phase echo modulation curves combined with other EPR and optical data show that the effect of the mutations is species dependent. Second, transient and pulsed EPR data are presented which show that PsaA-A660N and PsaB-A640N mutations in C. reinhardtii alter the relative quantum yield of ET in the A- and B-branches of PS I. Third, transient EPR studies on RCs from Heliobacillus mobilis that have been exposed to oxygen show partial inhibition of ET. In the RCs in which ET still occurs, the ET kinetics and EPR spectra show evidence of oxidation of some but not all of the, BChl g and BChl g' to Chl a.

Electron Transfer Involving the Phylloquinone (A1) Cofactor of Photosystem I Examined with Time Resolved Absorbance and Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy

The dependence of the electron transfer (ET) rate on the Photosystem I (PSI) cofactor phylloquinone (A1) is studied by time-resolved absorbance and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. Two active branches (A and B) of electron transfer converge to the FX cofactor from the A1A and A1B quinone. The work described in Chapter 5 investigates the single hydrogen bond from the amino acid residue PsaA-L722 backbone nitrogen to A1A for its effect on the electron transfer rate to FX. Room temperature transient EPR measurements show an increase in the rate for the A1A- to FX for the PsaA-L722T mutant and an increased hyperfine coupling to the 2-methyl group of A1A when compared to wild type. The Arrhenius plot of the A1A- to FX ET in the PsaA-L722T mutant suggests that the increased rate is probably the result of a slight change in the electronic coupling between A1A- and FX. The reasons for the non-Arrhenius behavior are discussed. The work discussed in Chapter 6 investigates the directionality of ET at low temperature by blocking ET to the iron-sulfur clusters FX, FA and FB in the menB deletion mutant strain of Synechocyctis sp. PCC 6803, which is unable to synthesize phylloquinone, by incorporating the high midpoint potential (49 mV vs SHE) 2,3-dichloro-1,4-naphthoquinone (Cl2NQ) into the A1A and A1B binding sites. Various EPR spectroscopic techniques were implemented to differentiate between the spectral features created from A and B- branch electron transfer. The implications of this result for the directionality of electron transfer in PS I are discussed. The work discussed in Chapter 7 was done to study the dependence of the heterogeneous ET at low temperature on A1 midpoint potential. The menB PSI mutant contains plastiquinone-9 in the A1 binding site. The solution midpoint potential of the quinone measures 100 mV more positive then wild-type phylloquinone. The irreversible ET to the terminal acceptors FA and FB at low temperature is not controlled by the forward step from A1 to FX as expected due to the thermodynamic differences of the A1 cofactor in the two active branches A and B. Alternatives for the ET heterogeneity are discussed.

Anatomo-functional magnetic resonance imaging of the spinal cord and its application to the characterization of spinal lesions in cats

Les lésions de la moelle épinière ont un impact significatif sur la qualité de la vie car elles peuvent induire des déficits moteurs (paralysie) et sensoriels. Ces déficits évoluent dans le temps à mesure que le système nerveux central se réorganise, en impliquant des mécanismes physiologiques et neurochimiques encore mal connus. L'ampleur de ces déficits ainsi que le processus de réhabilitation dépendent fortement des voies anatomiques qui ont été altérées dans la moelle épinière. Il est donc crucial de pouvoir attester l'intégrité de la matière blanche après une lésion spinale et évaluer quantitativement l'état fonctionnel des neurones spinaux. Un grand intérêt de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est qu'elle permet d'imager de façon non invasive les propriétés fonctionnelles et anatomiques du système nerveux central. Le premier objectif de ce projet de thèse a été de développer l'IRM de diffusion afin d'évaluer l'intégrité des axones de la matière blanche après une lésion médullaire. Le deuxième objectif a été d'évaluer dans quelle mesure l'IRM fonctionnelle permet de mesurer l'activité des neurones de la moelle épinière. Bien que largement appliquées au cerveau, l'IRM de diffusion et l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière sont plus problématiques. Les difficultés associées à l'IRM de la moelle épinière relèvent de sa fine géométrie (environ 1 cm de diamètre chez l'humain), de la présence de mouvements d'origine physiologique (cardiaques et respiratoires) et de la présence d'artefacts de susceptibilité magnétique induits par les inhomogénéités de champ, notamment au niveau des disques intervertébraux et des poumons. L'objectif principal de cette thèse a donc été de développer des méthodes permettant de contourner ces difficultés. Ce développement a notamment reposé sur l'optimisation des paramètres d'acquisition d'images anatomiques, d'images pondérées en diffusion et de données fonctionnelles chez le chat et chez l'humain sur un IRM à 3 Tesla. En outre, diverses stratégies ont été étudiées afin de corriger les distorsions d'images induites par les artefacts de susceptibilité magnétique, et une étude a été menée sur la sensibilité et la spécificité de l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière. Les résultats de ces études démontrent la faisabilité d'acquérir des images pondérées en diffusion de haute qualité, et d'évaluer l'intégrité de voies spinales spécifiques après lésion complète et partielle. De plus, l'activité des neurones spinaux a pu être détectée par IRM fonctionnelle chez des chats anesthésiés. Bien qu'encourageants, ces résultats mettent en lumière la nécessité de développer davantage ces nouvelles techniques. L'existence d'un outil de neuroimagerie fiable et robuste, capable de confirmer les paramètres cliniques, permettrait d'améliorer le diagnostic et le pronostic chez les patients atteints de lésions médullaires. Un des enjeux majeurs serait de suivre et de valider l'effet de diverses stratégies thérapeutiques. De telles outils représentent un espoir immense pour nombre de personnes souffrant de traumatismes et de maladies neurodégénératives telles que les lésions de la moelle épinière, les tumeurs spinales, la sclérose en plaques et la sclérose latérale amyotrophique.

Characterization of Carotid Plaques with Ultrasound Non-Invasive Vascular Elastography (NIVE) : Feasibility and Correlation with High-Resolution Magnetic Resonance Imaging

L’accident vasculaire cérébral (AVC) est une cause principale de décès et de morbidité dans le monde; une bonne partie des AVC est causée par la plaque d’athérosclérose carotidienne. La prévention de l’AVC chez les patients ayant une plaque carotidienne demeure controversée, vu les risques et bénéfices ambigus associés au traitement chirurgical ou médical. Plusieurs méthodes d’imagerie ont été développées afin d’étudier la plaque vulnérable (dont le risque est élevé), mais aucune n’est suffisamment validée ou accessible pour permettre une utilisation comme outil de dépistage. L’élastographie non-invasive vasculaire (NIVE) est une technique nouvelle qui cartographie les déformations (élasticité) de la plaque afin de détecter les plaque vulnérables; cette technique n’est pas encore validée cliniquement. Le but de ce projet est d’évaluer la capacité de NIVE de caractériser la composition de la plaque et sa vulnérabilité in vivo chez des patients ayant des plaques sévères carotidiennes, en utilisant comme étalon de référence, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) à haute-résolution. Afin de poursuivre cette étude, une connaissance accrue de l’AVC, l’athérosclérose, la plaque vulnérable, ainsi que des techniques actuelles d’imagerie de la plaque carotidienne, est requise. Trente-et-un sujets ont été examinés par NIVE par ultrasonographie et IRM à haute-résolution. Sur 31 plaques, 9 étaient symptomatiques, 17 contenaient des lipides, et 7 étaient vulnérables selon l’IRM. Les déformations étaient significativement plus petites chez les plaques contenant des lipides, avec une sensibilité élevée et une spécificité modérée. Une association quadratique entre la déformation et la quantité de lipide a été trouvée. Les déformations ne pouvaient pas distinguer les plaques vulnérables ou symptomatiques. En conclusion, NIVE par ultrasonographie est faisable chez des patients ayant des sténoses carotidiennes significatives et peut détecter la présence d’un coeur lipidique. Des études supplémentaires de progression de la plaque avec NIVE sont requises afin d’identifier les plaques vulnérables.

Oxygenation-sensitive cardiovascular magnetic resonance imaging (OS-CMR) : potential confounding factors in use of OS-CMR

La résonance magnétique cardiovasculaire sensible à l'oxygénation (OS-CMR) est devenue une modalité d'imagerie diagnostique pour la surveillance de changements dans l'oxygénation du myocarde. Cette technique offre un grand potentiel en tant qu'outil diagnostic primaire pour les maladies cardiovasculaires, en particulier la détection non-invasive d'ischémie. Par contre, il existe plusieurs facteurs potentiellement confondants de cette technique, quelques-uns d'ordre méthodologique comme les paramètres de séquençage et d'autres de nature physiologiques qui sont peut compris. En raison des effets causés par le contenu tissulaire d'eau, l'état d'hydratation peut avoir un impact sur l'intensité du signal. Ceci est un des aspects physiologiques en particulier dont nous voulions quantifier l'effet confondant par la manipulation de l'état d'hydratation chez des humains et l'observation des changements de l'intensité du signal dans des images OS-CMR. Méthodes: In vitro: Du sang artériel et veineux de huit porcs a été utilisé pour évaluer la dilution en série du sang et son effet correspondant sur l'intensité du signal de la séquence OS. In vivo: Vingt-deux volontaires en santé ont subi OS-CMR. Les concentrations d'hémoglobine (Hb) ont été mesurées au niveau de base et immédiatement après une l'infusion cristalloïde rapide de 1000 mL de solution Lactate Ringer's (LRS). Les images OS-CMR ont été prises dans une vue mid-ventriculaire court axe. L'intensité du signal myocardique a été mesurée durant une rétention respiratoire volontaire maximale, suite à une période d'hyperventilation de 60 secondes. Les changements dans l'intensité du signal entre le début et la fin de la rétention de la respiration ont été exprimés relativement au niveau de base (% de changement). Résultats: L'infusion a résulté en une diminution significative de l'Hb mesurée (142.5±3.3 vs. 128.8±3.3 g/L; p<0.001), alors que l'IS a augmenté de 3.2±1.2% entre les images du niveau de base en normo- et hypervolémie (p<0.05). L'IS d'hyperventilation ainsi que les changements d'IS induits par l'apnée ont été attenués après hémodilution (p<0.05). L'évaluation quantitative T2* a démontré une corrélation négative entre le temps de T2* et la concentration d'hémoglobine (r=-0.46, p<0.005). Conclusions: Il existe plusieurs éléments confondants de la technique OS-CMR qui requièrent de l'attention et de l'optimisation pour une future implémentation clinique à grande échelle. Le statut d'hydratation en particulier pourrait être un élément confondant dans l'imagerie OS-CMR. L'hypervolémie mène à une augmentation en IS au niveau de base et atténue la réponse IS durant des manoeuvres de respiration vasoactives. Cette atténuation de l'intensité du signal devrait être tenue en compte et corrigée dans l'évaluation clinique d'images OS-CMR.

Semiautomated 3D liver segmentation using computed tomography and magnetic resonance imaging

Le foie est un organe vital ayant une capacité de régénération exceptionnelle et un rôle crucial dans le fonctionnement de l’organisme. L’évaluation du volume du foie est un outil important pouvant être utilisé comme marqueur biologique de sévérité de maladies hépatiques. La volumétrie du foie est indiquée avant les hépatectomies majeures, l’embolisation de la veine porte et la transplantation. La méthode la plus répandue sur la base d'examens de tomodensitométrie (TDM) et d'imagerie par résonance magnétique (IRM) consiste à délimiter le contour du foie sur plusieurs coupes consécutives, un processus appelé la «segmentation». Nous présentons la conception et la stratégie de validation pour une méthode de segmentation semi-automatisée développée à notre institution. Notre méthode représente une approche basée sur un modèle utilisant l’interpolation variationnelle de forme ainsi que l’optimisation de maillages de Laplace. La méthode a été conçue afin d’être compatible avec la TDM ainsi que l' IRM. Nous avons évalué la répétabilité, la fiabilité ainsi que l’efficacité de notre méthode semi-automatisée de segmentation avec deux études transversales conçues rétrospectivement. Les résultats de nos études de validation suggèrent que la méthode de segmentation confère une fiabilité et répétabilité comparables à la segmentation manuelle. De plus, cette méthode diminue de façon significative le temps d’interaction, la rendant ainsi adaptée à la pratique clinique courante. D’autres études pourraient incorporer la volumétrie afin de déterminer des marqueurs biologiques de maladie hépatique basés sur le volume tels que la présence de stéatose, de fer, ou encore la mesure de fibrose par unité de volume.

A simple linear magnetic field sweep generator for magnetic resonance experiments

A simple and inexpensive linear magnetic field sweep generating system suitable for magnetic resonance experiments is described. The circuit, utilising a modified IC bootstrap configuration, generates field sweep over a wide range of sweep durations with excellent sweep linearity.

“Improved Feature Extraction and Classification Techniques for Multispectral Brain Magnetic Resonance Images”

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a multi sequence medical imaging technique in which stacks of images are acquired with different tissue contrasts. Simultaneous observation and quantitative analysis of normal brain tissues and small abnormalities from these large numbers of different sequences is a great challenge in clinical applications. Multispectral MRI analysis can simplify the job considerably by combining unlimited number of available co-registered sequences in a single suite. However, poor performance of the multispectral system with conventional image classification and segmentation methods makes it inappropriate for clinical analysis. Recent works in multispectral brain MRI analysis attempted to resolve this issue by improved feature extraction approaches, such as transform based methods, fuzzy approaches, algebraic techniques and so forth. Transform based feature extraction methods like Independent Component Analysis (ICA) and its extensions have been effectively used in recent studies to improve the performance of multispectral brain MRI analysis. However, these global transforms were found to be inefficient and inconsistent in identifying less frequently occurred features like small lesions, from large amount of MR data. The present thesis focuses on the improvement in ICA based feature extraction techniques to enhance the performance of multispectral brain MRI analysis. Methods using spectral clustering and wavelet transforms are proposed to resolve the inefficiency of ICA in identifying small abnormalities, and problems due to ICA over-completeness. Effectiveness of the new methods in brain tissue classification and segmentation is confirmed by a detailed quantitative and qualitative analysis with synthetic and clinical, normal and abnormal, data. In comparison to conventional classification techniques, proposed algorithms provide better performance in classification of normal brain tissues and significant small abnormalities.

Segmentation of Brain Tissue from Magnetic Resonance Images

Segmentation of medical imagery is a challenging problem due to the complexity of the images, as well as to the absence of models of the anatomy that fully capture the possible deformations in each structure. Brain tissue is a particularly complex structure, and its segmentation is an important step for studies in temporal change detection of morphology, as well as for 3D visualization in surgical planning. In this paper, we present a method for segmentation of brain tissue from magnetic resonance images that is a combination of three existing techniques from the Computer Vision literature: EM segmentation, binary morphology, and active contour models. Each of these techniques has been customized for the problem of brain tissue segmentation in a way that the resultant method is more robust than its components. Finally, we present the results of a parallel implementation of this method on IBM's supercomputer Power Visualization System for a database of 20 brain scans each with 256x256x124 voxels and validate those against segmentations generated by neuroanatomy experts.

Nuclear magnetic resonance chemical shifts with the statistical average of orbital-dependent model potentials in Kohn-Sham density functional theory

The performance of the SAOP potential for the calculation of NMR chemical shifts was evaluated. SAOP results show considerable improvement with respect to previous potentials, like VWN or BP86, at least for the carbon, nitrogen, oxygen, and fluorine chemical shifts. Furthermore, a few NMR calculations carried out on third period atoms (S, P, and Cl) improved when using the SAOP potential

A Functional Magnetic Resonance Imaging Predictor of Treatment Response to Venlafaxine in Generalized Anxiety Disorder

Background: Functional magnetic resonance imaging (fMRI) holds promise as a noninvasive means of identifying neural responses that can be used to predict treatment response before beginning a drug trial. Imaging paradigms employing facial expressions as presented stimuli have been shown to activate the amygdala and anterior cingulate cortex (ACC). Here, we sought to determine whether pretreatment amygdala and rostral ACC (rACC) reactivity to facial expressions could predict treatment outcomes in patients with generalized anxiety disorder (GAD).Methods: Fifteen subjects (12 female subjects) with GAD participated in an open-label venlafaxine treatment trial. Functional magnetic resonance imaging responses to facial expressions of emotion collected before subjects began treatment were compared with changes in anxiety following 8 weeks of venlafaxine administration. In addition, the magnitude of fMRI responses of subjects with GAD were compared with that of 15 control subjects (12 female subjects) who did not have GAD and did not receive venlafaxine treatment.Results The magnitude of treatment response was predicted by greater pretreatment reactivity to fearful faces in rACC and lesser reactivity in the amygdala. These individual differences in pretreatment rACC and amygdala reactivity within the GAD group were observed despite the fact that 1) the overall magnitude of pretreatment rACC and amygdala reactivity did not differ between subjects with GAD and control subjects and 2) there was no main effect of treatment on rACC-amygdala reactivity in the GAD group.Conclusions: These findings show that this pattern of rACC-amygdala responsivity could prove useful as a predictor of venlafaxine treatment response in patients with GAD.