Proton magnetic resonance spectroscopy of the frontal, cingulate and perirolandic cortices and its relationship to skin conductance in patients with schizophrenia

The aim of the present study was to determine whether specific subgroups of schizophrenic patients, grouped according to electrodermal characteristics, show differences in the N-acetylaspartate/creatine plus choline (NAA / (Cr + Cho)) ratios in the frontal, cingulate and perirolandic cortices. Skin conductance levels (SCL) and skin conductance responses to auditory stimulation were measured in 38 patients with schizophrenia and in the same number of matched healthy volunteers (control). All subjects were submitted to multivoxel proton magnetic resonance spectroscopic imaging. When compared to the control group, patients presented significantly lower NAA / (Cr + Cho) ratios in the right dorsolateral prefrontal cortex (schizophrenia = 0.95 ± 0.03; control = 1.12 ± 0.04) and in the right (schizophrenia = 0.88 ± 0.02; control = 0.94 ± 0.03) and left (schizophrenia = 0.84 ± 0.03; control = 0.94 ± 0.03) cingulates. These ratios did not differ between electrodermally responsive and non-responsive patients. When patients were divided into two groups: lower SCL (less than the mean SCL of the control group minus two standard deviations) and normal SCL (similar to the control group), the subgroup with a lower level of SCL showed a lower NAA / (Cr + Cho) ratio in the left cingulate (0.78 ± 0.05) than the controls (0.95 ± 0.02, P < 0.05) and the subgroup with normal SCL (0.88 ± 0.03, P < 0.05). There was a negative correlation between the NAA / (Cr + Cho) ratio in the left cingulate of patients with schizophrenia and the duration of the disease and years under medication. These data suggest the existence of a schizophrenic subgroup characterized by low SCL that could be a consequence of the lower neuronal viability observed in the left cingulate of these patients.

Brain tissue segmentation using q-entropy in multiple sclerosis magnetic resonance images

The loss of brain volume has been used as a marker of tissue destruction and can be used as an index of the progression of neurodegenerative diseases, such as multiple sclerosis. In the present study, we tested a new method for tissue segmentation based on pixel intensity threshold using generalized Tsallis entropy to determine a statistical segmentation parameter for each single class of brain tissue. We compared the performance of this method using a range of different q parameters and found a different optimal q parameter for white matter, gray matter, and cerebrospinal fluid. Our results support the conclusion that the differences in structural correlations and scale invariant similarities present in each tissue class can be accessed by generalized Tsallis entropy, obtaining the intensity limits for these tissue class separations. In order to test this method, we used it for analysis of brain magnetic resonance images of 43 patients and 10 healthy controls matched for gender and age. The values found for the entropic q index were 0.2 for cerebrospinal fluid, 0.1 for white matter and 1.5 for gray matter. With this algorithm, we could detect an annual loss of 0.98% for the patients, in agreement with literature data. Thus, we can conclude that the entropy of Tsallis adds advantages to the process of automatic target segmentation of tissue classes, which had not been demonstrated previously.

Thalamic metabolic abnormalities in patients with Huntington's disease measured by magnetic resonance spectroscopy

Huntington's disease (HD) is a neurologic disorder that is not completely understood; its fundamental physiological mechanisms and chemical effects remain somewhat unclear. Among these uncertainties, we can highlight information about the concentrations of brain metabolites, which have been widely discussed. Concentration differences in affected, compared to healthy, individuals could lead to the development of useful tools for evaluating the progression of disease, or to the advance of investigations of different/alternative treatments. The aim of this study was to compare the thalamic concentration of metabolites in HD patients and healthy individuals using magnetic resonance spectroscopy. We used a 2.0-Tesla magnetic field, repetition time of 1500 ms, and echo time of 135 ms. Spectra from 40 adult HD patients and 26 control subjects were compared. Quantitative analysis was performed using the LCModel method. There were statistically significant differences between HD patients and controls in the concentrations ofN-acetylaspartate+N-acetylaspartylglutamate (NAA+NAAG; t-test, P<0.001), and glycerophosphocholine+phosphocholine (GPC+PCh;t-test, P=0.001) relative to creatine+phosphocreatine (Cr+PCr). The NAA+NAAG/Cr+PCr ratio was decreased by 9% and GPC+PCh/Cr+PCr increased by 17% in patients compared with controls. There were no correlations between the concentration ratios and clinical features. Although these results could be caused by T1 and T2 changes, rather than variations in metabolite concentrations given the short repetition time and long echo time values used, our findings point to thalamic dysfunction, corroborating prior evidence.

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.

Nuclear magnetic resonance studies of boron trihalide complexes of 1,1-BIS (dimethylamino) ethylene and related bases

Boron tribalide complexes of 1,1-bis(dimethylamino)ethylene (DME) , t etramethylurea (TMU), tetramethylguanidine (TMG) , and pentamethylguanidine (PMG) and also mixed boron t r ihalide adducts of DME have been investigated by 1H and 19F NMR spectroscopy. Both nitrogen and the C-Q-H carbon of DME are possible donor a toms to boron trihal ides but complexation has been found to occur only at carbon of DME. The initial adduct acts as a Bronsted acid and gives up a proton to free DME in solut ion. A side reaction in the DME-BF, system gives rise to trace amounts of a complex aSSigned as (DME)2BF2+. (DME)2BF2+ is produced in much larger quantities in t he DME-BF3-BC13 and DME-BF,-BBr, systems by reaction of free DME with DME:BF2X (X = Cl, Br). Restricted r otation about the C-N bonds of TMUlBC13 and n1U:BBr3 has been observed at low temperatures. This complements previous work in this system and confirms oxygen donation of TMU to boron trihalides . Restricted rotation at low temperatures also has been observed in DMEboron trihalide systems

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.

Effects of hypothermia on brain glucose metabolism in acute liver failure: a H/C-nuclear magnetic resonance study.

Mild hypothermia has a protective effect on brain edema and encephalopathy in both experimental and human acute liver failure. The goals of the present study were to examine the effects of mild hypothermia (35°C) on brain metabolic pathways using combined 1H and 13C-Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy, a technique which allows the study not only of metabolite concentrations but also their de novo synthesis via cell-specific pathways in the brain. :1H and 13C NMR spectroscopy using [1-13C] glucose was performed on extracts of frontal cortex obtained from groups of rats with acute liver failure induced by hepatic devascularization whose body temperature was maintained either at 37°C (normothermic) or 35°C (hypothermic), and appropriate sham-operated controls. At coma stages of encephalopathy in the normothermic acute liver failure animals, glutamine concentrations in frontal cortex increased 3.5-fold compared to sham-operated controls (P < 0.001). Comparable increases of brain glutamine were observed in hypothermic animals despite the absence of severe encephalopathy (coma). Brain glutamate and aspartate concentrations were respectively decreased to 60.9% ± 7.7% and 42.2% ± 5.9% (P < 0.01) in normothermic animals with acute liver failure compared to control and were restored to normal values by mild hypothermia. Concentrations of lactate and alanine in frontal cortex were increased to 169.2% ± 15.6% and 267.3% ± 34.0% (P < 0.01) respectively in normothermic rats compared to controls. Furthermore, de novo synthesis of lactate and alanine increased to 446.5% ± 48.7% and 707.9% ± 65.7% (P < 0.001), of control respectively, resulting in increased fractional 13C-enrichments in these cytosolic metabolites. Again, these changes of lactate and alanine concentrations were prevented by mild hypothermia. Mild hypothermia (35°C) prevents the encephalopathy and brain edema resulting from hepatic devascularization, selectively normalizes lactate and alanine synthesis from glucose, and prevents the impairment of oxidative metabolism associated with this model of ALF, but has no significant effect on brain glutamine. These findings suggest that a deficit in brain glucose metabolism rather than glutamine accumulation is the major cause of the cerebral complications of acute liver failure.

Dynamic magnetic resonance spectroscopy of phosphate energetics during muscle exercise and recovery

Entailing of phosphorus exchanges in most bio-chemicals as a key factor in disease, increases researcher’s interest to develop the technologies capable of detecting this metabolite. Phosphorus magnetic resonance spectroscopy is able to detect key metabolites in a non-invasive manner. Particularly, it offers the ability to measure the dynamic rate of phosphocreatine(PCr) degeneration through the exercise and recovery. This metric as a valid indication of mitochondrial oxidative metabolism in muscle, differentiate between normal and pathological state. To do magnetic resonance imaging and spectroscopy, clinical research tools provide a wide variety of anatomical and functional contrasts, however they are typically restricted to the tissues containing water or hydrogen atoms and they are still blind to the biochemicals of other atoms of interests. Through this project we intended to obtain the phosphorus spectrum in human body – specificadenerativelly in muscle – using 31P spectroscopy. To do so a double loop RF surface coil, tuned to phosphorus frequency, is designed and fabricated using bench work facilities and then validated through in vitro spectroscopy using 3 Tesla Siemens scanner. We acquired in vitro as well as in vivo phosphorus spectrum in a 100 mM potassium phosphate phantom and human calf muscle in rest-exercise-recovery phase in a 3T MR scanner. The spectrum demonstrates the main constituent in high-energy phosphate metabolism. We also observed the dynamic variation of PCr for five young healthy subjects who performed planter flexions using resistance band during exercise and recovery. The took steps in this project pave the way for future application of spectroscopic quantification of phosphate metabolism in patients affected by carotid artery disease as well as in age-matched control subjects.

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.