Advanced Techniques for Image Quality Assessment of Modern X-ray Computed Tomography Systems

X-ray computed tomography (CT) imaging constitutes one of the most widely used diagnostic tools in radiology today with nearly 85 million CT examinations performed in the U.S in 2011. CT imparts a relatively high amount of radiation dose to the patient compared to other x-ray imaging modalities and as a result of this fact, coupled with its popularity, CT is currently the single largest source of medical radiation exposure to the U.S. population. For this reason, there is a critical need to optimize CT examinations such that the dose is minimized while the quality of the CT images is not degraded. This optimization can be difficult to achieve due to the relationship between dose and image quality. All things being held equal, reducing the dose degrades image quality and can impact the diagnostic value of the CT examination.

A recent push from the medical and scientific community towards using lower doses has spawned new dose reduction technologies such as automatic exposure control (i.e., tube current modulation) and iterative reconstruction algorithms. In theory, these technologies could allow for scanning at reduced doses while maintaining the image quality of the exam at an acceptable level. Therefore, there is a scientific need to establish the dose reduction potential of these new technologies in an objective and rigorous manner. Establishing these dose reduction potentials requires precise and clinically relevant metrics of CT image quality, as well as practical and efficient methodologies to measure such metrics on real CT systems. The currently established methodologies for assessing CT image quality are not appropriate to assess modern CT scanners that have implemented those aforementioned dose reduction technologies.

Thus the purpose of this doctoral project was to develop, assess, and implement new phantoms, image quality metrics, analysis techniques, and modeling tools that are appropriate for image quality assessment of modern clinical CT systems. The project developed image quality assessment methods in the context of three distinct paradigms, (a) uniform phantoms, (b) textured phantoms, and (c) clinical images.

The work in this dissertation used the “task-based” definition of image quality. That is, image quality was broadly defined as the effectiveness by which an image can be used for its intended task. Under this definition, any assessment of image quality requires three components: (1) A well defined imaging task (e.g., detection of subtle lesions), (2) an “observer” to perform the task (e.g., a radiologists or a detection algorithm), and (3) a way to measure the observer’s performance in completing the task at hand (e.g., detection sensitivity/specificity).

First, this task-based image quality paradigm was implemented using a novel multi-sized phantom platform (with uniform background) developed specifically to assess modern CT systems (Mercury Phantom, v3.0, Duke University). A comprehensive evaluation was performed on a state-of-the-art CT system (SOMATOM Definition Force, Siemens Healthcare) in terms of noise, resolution, and detectability as a function of patient size, dose, tube energy (i.e., kVp), automatic exposure control, and reconstruction algorithm (i.e., Filtered Back-Projection– FPB vs Advanced Modeled Iterative Reconstruction– ADMIRE). A mathematical observer model (i.e., computer detection algorithm) was implemented and used as the basis of image quality comparisons. It was found that image quality increased with increasing dose and decreasing phantom size. The CT system exhibited nonlinear noise and resolution properties, especially at very low-doses, large phantom sizes, and for low-contrast objects. Objective image quality metrics generally increased with increasing dose and ADMIRE strength, and with decreasing phantom size. The ADMIRE algorithm could offer comparable image quality at reduced doses or improved image quality at the same dose (increase in detectability index by up to 163% depending on iterative strength). The use of automatic exposure control resulted in more consistent image quality with changing phantom size.

Based on those results, the dose reduction potential of ADMIRE was further assessed specifically for the task of detecting small (<=6 mm) low-contrast (<=20 HU) lesions. A new low-contrast detectability phantom (with uniform background) was designed and fabricated using a multi-material 3D printer. The phantom was imaged at multiple dose levels and images were reconstructed with FBP and ADMIRE. Human perception experiments were performed to measure the detection accuracy from FBP and ADMIRE images. It was found that ADMIRE had equivalent performance to FBP at 56% less dose.

Using the same image data as the previous study, a number of different mathematical observer models were implemented to assess which models would result in image quality metrics that best correlated with human detection performance. The models included naïve simple metrics of image quality such as contrast-to-noise ratio (CNR) and more sophisticated observer models such as the non-prewhitening matched filter observer model family and the channelized Hotelling observer model family. It was found that non-prewhitening matched filter observers and the channelized Hotelling observers both correlated strongly with human performance. Conversely, CNR was found to not correlate strongly with human performance, especially when comparing different reconstruction algorithms.

The uniform background phantoms used in the previous studies provided a good first-order approximation of image quality. However, due to their simplicity and due to the complexity of iterative reconstruction algorithms, it is possible that such phantoms are not fully adequate to assess the clinical impact of iterative algorithms because patient images obviously do not have smooth uniform backgrounds. To test this hypothesis, two textured phantoms (classified as gross texture and fine texture) and a uniform phantom of similar size were built and imaged on a SOMATOM Flash scanner (Siemens Healthcare). Images were reconstructed using FBP and a Sinogram Affirmed Iterative Reconstruction (SAFIRE). Using an image subtraction technique, quantum noise was measured in all images of each phantom. It was found that in FBP, the noise was independent of the background (textured vs uniform). However, for SAFIRE, noise increased by up to 44% in the textured phantoms compared to the uniform phantom. As a result, the noise reduction from SAFIRE was found to be up to 66% in the uniform phantom but as low as 29% in the textured phantoms. Based on this result, it clear that further investigation was needed into to understand the impact that background texture has on image quality when iterative reconstruction algorithms are used.

To further investigate this phenomenon with more realistic textures, two anthropomorphic textured phantoms were designed to mimic lung vasculature and fatty soft tissue texture. The phantoms (along with a corresponding uniform phantom) were fabricated with a multi-material 3D printer and imaged on the SOMATOM Flash scanner. Scans were repeated a total of 50 times in order to get ensemble statistics of the noise. A novel method of estimating the noise power spectrum (NPS) from irregularly shaped ROIs was developed. It was found that SAFIRE images had highly locally non-stationary noise patterns with pixels near edges having higher noise than pixels in more uniform regions. Compared to FBP, SAFIRE images had 60% less noise on average in uniform regions for edge pixels, noise was between 20% higher and 40% lower. The noise texture (i.e., NPS) was also highly dependent on the background texture for SAFIRE. Therefore, it was concluded that quantum noise properties in the uniform phantoms are not representative of those in patients for iterative reconstruction algorithms and texture should be considered when assessing image quality of iterative algorithms.

The move beyond just assessing noise properties in textured phantoms towards assessing detectability, a series of new phantoms were designed specifically to measure low-contrast detectability in the presence of background texture. The textures used were optimized to match the texture in the liver regions actual patient CT images using a genetic algorithm. The so called “Clustured Lumpy Background” texture synthesis framework was used to generate the modeled texture. Three textured phantoms and a corresponding uniform phantom were fabricated with a multi-material 3D printer and imaged on the SOMATOM Flash scanner. Images were reconstructed with FBP and SAFIRE and analyzed using a multi-slice channelized Hotelling observer to measure detectability and the dose reduction potential of SAFIRE based on the uniform and textured phantoms. It was found that at the same dose, the improvement in detectability from SAFIRE (compared to FBP) was higher when measured in a uniform phantom compared to textured phantoms.

The final trajectory of this project aimed at developing methods to mathematically model lesions, as a means to help assess image quality directly from patient images. The mathematical modeling framework is first presented. The models describe a lesion’s morphology in terms of size, shape, contrast, and edge profile as an analytical equation. The models can be voxelized and inserted into patient images to create so-called “hybrid” images. These hybrid images can then be used to assess detectability or estimability with the advantage that the ground truth of the lesion morphology and location is known exactly. Based on this framework, a series of liver lesions, lung nodules, and kidney stones were modeled based on images of real lesions. The lesion models were virtually inserted into patient images to create a database of hybrid images to go along with the original database of real lesion images. ROI images from each database were assessed by radiologists in a blinded fashion to determine the realism of the hybrid images. It was found that the radiologists could not readily distinguish between real and virtual lesion images (area under the ROC curve was 0.55). This study provided evidence that the proposed mathematical lesion modeling framework could produce reasonably realistic lesion images.

Based on that result, two studies were conducted which demonstrated the utility of the lesion models. The first study used the modeling framework as a measurement tool to determine how dose and reconstruction algorithm affected the quantitative analysis of liver lesions, lung nodules, and renal stones in terms of their size, shape, attenuation, edge profile, and texture features. The same database of real lesion images used in the previous study was used for this study. That database contained images of the same patient at 2 dose levels (50% and 100%) along with 3 reconstruction algorithms from a GE 750HD CT system (GE Healthcare). The algorithms in question were FBP, Adaptive Statistical Iterative Reconstruction (ASiR), and Model-Based Iterative Reconstruction (MBIR). A total of 23 quantitative features were extracted from the lesions under each condition. It was found that both dose and reconstruction algorithm had a statistically significant effect on the feature measurements. In particular, radiation dose affected five, three, and four of the 23 features (related to lesion size, conspicuity, and pixel-value distribution) for liver lesions, lung nodules, and renal stones, respectively. MBIR significantly affected 9, 11, and 15 of the 23 features (including size, attenuation, and texture features) for liver lesions, lung nodules, and renal stones, respectively. Lesion texture was not significantly affected by radiation dose.

The second study demonstrating the utility of the lesion modeling framework focused on assessing detectability of very low-contrast liver lesions in abdominal imaging. Specifically, detectability was assessed as a function of dose and reconstruction algorithm. As part of a parallel clinical trial, images from 21 patients were collected at 6 dose levels per patient on a SOMATOM Flash scanner. Subtle liver lesion models (contrast = -15 HU) were inserted into the raw projection data from the patient scans. The projections were then reconstructed with FBP and SAFIRE (strength 5). Also, lesion-less images were reconstructed. Noise, contrast, CNR, and detectability index of an observer model (non-prewhitening matched filter) were assessed. It was found that SAFIRE reduced noise by 52%, reduced contrast by 12%, increased CNR by 87%. and increased detectability index by 65% compared to FBP. Further, a 2AFC human perception experiment was performed to assess the dose reduction potential of SAFIRE, which was found to be 22% compared to the standard of care dose.

In conclusion, this dissertation provides to the scientific community a series of new methodologies, phantoms, analysis techniques, and modeling tools that can be used to rigorously assess image quality from modern CT systems. Specifically, methods to properly evaluate iterative reconstruction have been developed and are expected to aid in the safe clinical implementation of dose reduction technologies.

Hyperspectral Image Classification with Nonlinear Methods

This thesis introduces two related lines of study on classification of hyperspectral images with nonlinear methods. First, it describes a quantitative and systematic evaluation, by the author, of each major component in a pipeline for classifying hyperspectral images (HSI) developed earlier in a joint collaboration [23]. The pipeline, with novel use of nonlinear classification methods, has reached beyond the state of the art in classification accuracy on commonly used benchmarking HSI data [6], [13]. More importantly, it provides a clutter map, with respect to a predetermined set of classes, toward the real application situations where the image pixels not necessarily fall into a predetermined set of classes to be identified, detected or classified with.

The particular components evaluated are a) band selection with band-wise entropy spread, b) feature transformation with spatial filters and spectral expansion with derivatives c) graph spectral transformation via locally linear embedding for dimension reduction, and d) statistical ensemble for clutter detection. The quantitative evaluation of the pipeline verifies that these components are indispensable to high-accuracy classification.

Secondly, the work extends the HSI classification pipeline with a single HSI data cube to multiple HSI data cubes. Each cube, with feature variation, is to be classified of multiple classes. The main challenge is deriving the cube-wise classification from pixel-wise classification. The thesis presents the initial attempt to circumvent it, and discuss the potential for further improvement.

Effet préventif de la milrinone inhalée chez les patients avec hypertension pulmonaire subissant une chirurgie cardiaque sous circulation extracorporelle : une approche pharmacométrique

La circulation extracorporelle (CEC) est une technique utilisée en chirurgie cardiaque effectuée des milliers de fois chaque jour à travers le monde. L’instabilité hémodynamique associée au sevrage de la CEC difficile constitue la principale cause de mortalité en chirurgie cardiaque et l’hypertension pulmonaire (HP) a été identifiée comme un des facteurs de risque les plus importants. Récemment, une hypothèse a été émise suggérant que l'administration prophylactique (avant la CEC) de la milrinone par inhalation puisse avoir un effet préventif et faciliter le sevrage de la CEC chez les patients atteints d’HP. Toutefois, cette indication et voie d'administration pour la milrinone n'ont pas encore été approuvées par les organismes réglementaires. Jusqu'à présent, la recherche clinique sur la milrinone inhalée s’est principalement concentrée sur l’efficacité hémodynamique et l'innocuité chez les patients cardiaques, bien qu’aucun biomarqueur n’ait encore été établi. La dose la plus appropriée pour l’administration par nébulisation n'a pas été déterminée, de même que la caractérisation des profils pharmacocinétiques (PK) et pharmacodynamiques (PD) suite à l'inhalation. L'objectif de notre recherche consistait à caractériser la relation exposition-réponse de la milrinone inhalée administrée chez les patients subissant une chirurgie cardiaque sous CEC. Une méthode analytique par chromatographie liquide à haute performance couplée à un détecteur ultraviolet (HPLC-UV) a été optimisée et validée pour le dosage de la milrinone plasmatique suite à l’inhalation et s’est avérée sensible et précise. La limite de quantification (LLOQ) était de 1.25 ng/ml avec des valeurs de précision intra- et inter-dosage moyennes (CV%) <8%. Des patients souffrant d’HP pour lesquels une chirurgie cardiaque sous CEC était prévue ont d’abord été recrutés pour une étude pilote (n=12) et, par la suite, pour une étude à plus grande échelle (n=28) où la milrinone (5 mg) était administrée par inhalation pré-CEC. Dans l'étude pilote, nous avons comparé l'exposition systémique de la milrinone peu après son administration avec un nébuliseur pneumatique ou un nébuliseur à tamis vibrant. L’efficacité des nébuliseurs en termes de dose émise et dose inhalée a également été déterminée in vitro. Dans l'étude à plus grande échelle conduite en utilisant exclusivement le nébuliseur à tamis vibrant, la dose inhalée in vivo a été estimée et le profil pharmacocinétique de la milrinone inhalée a été pleinement caractérisé aux niveaux plasmatique et urinaire. Le ratio de la pression artérielle moyenne sur la pression artérielle pulmonaire moyenne (PAm/PAPm) a été choisi comme biomarqueur PD. La relation exposition-réponse de la milrinone a été caractérisée pendant la période d'inhalation en étudiant la relation entre l'aire sous la courbe de l’effet (ASCE) et l’aire sous la courbe des concentrations plasmatiques (ASC) de chacun des patients. Enfin, le ratio PAm/PAPm a été exploré comme un prédicteur potentiel de sortie de CEC difficile dans un modèle de régression logistique. Les expériences in vitro ont démontré que les doses émises étaient similaires pour les nébuliseurs pneumatique (64%) et à tamis vibrant (68%). Cependant, la dose inhalée était 2-3 fois supérieure (46% vs 17%) avec le nébuliseur à tamis vibrant, et ce, en accord avec les concentrations plasmatiques. Chez les patients, en raison des variations au niveau des facteurs liés au circuit et au ventilateur causant une plus grande dose expirée, la dose inhalée a été estimée inférieure (30%) et cela a été confirmé après récupération de la dose de milrinone dans l'urine 24 h (26%). Les concentrations plasmatiques maximales (Cmax: 41-189 ng/ml) et l'ampleur de la réponse maximale ΔRmax-R0 (0-65%) ont été observées à la fin de l'inhalation (10-30 min). Les données obtenues suite aux analyses PK sont en accord avec les données publiées pour la milrinone intraveineuse. Après la période d'inhalation, les ASCE individuelles étaient directement reliées aux ASC (P=0.045). Enfin, notre biomarqueur PD ainsi que la durée de CEC ont été identifiés comme des prédicteurs significatifs de la sortie de CEC difficile. La comparaison des ASC et ASCE correspondantes a fourni des données préliminaires supportant une preuve de concept pour l'utilisation du ratio PAm/PAPm comme biomarqueur PD prometteur et justifie de futures études PK/PD. Nous avons pu démontrer que la variation du ratio PAm/PAPm en réponse à la milrinone inhalée contribue à la prévention de la sortie de CEC difficile.

Réduction du bruit de fond en vue de la détection de la matière sombre avec le projet PICASSO

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Linear Hyperspectral Unmixing Using L0-norm Approximations and Nonnegative Matrix Factorization

Spectral unmixing (SU) is a technique to characterize mixed pixels of the hyperspectral images measured by remote sensors. Most of the existing spectral unmixing algorithms are developed using the linear mixing models. Since the number of endmembers/materials present at each mixed pixel is normally scanty compared with the number of total endmembers (the dimension of spectral library), the problem becomes sparse. This thesis introduces sparse hyperspectral unmixing methods for the linear mixing model through two different scenarios. In the first scenario, the library of spectral signatures is assumed to be known and the main problem is to find the minimum number of endmembers under a reasonable small approximation error. Mathematically, the corresponding problem is called the $\ell_0$-norm problem which is NP-hard problem. Our main study for the first part of thesis is to find more accurate and reliable approximations of $\ell_0$-norm term and propose sparse unmixing methods via such approximations. The resulting methods are shown considerable improvements to reconstruct the fractional abundances of endmembers in comparison with state-of-the-art methods such as having lower reconstruction errors. In the second part of the thesis, the first scenario (i.e., dictionary-aided semiblind unmixing scheme) will be generalized as the blind unmixing scenario that the library of spectral signatures is also estimated. We apply the nonnegative matrix factorization (NMF) method for proposing new unmixing methods due to its noticeable supports such as considering the nonnegativity constraints of two decomposed matrices. Furthermore, we introduce new cost functions through some statistical and physical features of spectral signatures of materials (SSoM) and hyperspectral pixels such as the collaborative property of hyperspectral pixels and the mathematical representation of the concentrated energy of SSoM for the first few subbands. Finally, we introduce sparse unmixing methods for the blind scenario and evaluate the efficiency of the proposed methods via simulations over synthetic and real hyperspectral data sets. The results illustrate considerable enhancements to estimate the spectral library of materials and their fractional abundances such as smaller values of spectral angle distance (SAD) and abundance angle distance (AAD) as well.

Underway spectrophotometry along the Atlantic Meridional Transect reveals high performance in satellite chlorophyll retrievals

To evaluate the performance of ocean-colour retrievals of total chlorophyll-a concentration requires direct comparison with concomitant and co-located in situ data. For global comparisons, these in situ match-ups should be ideally representative of the distribution of total chlorophyll-a concentration in the global ocean. The oligotrophic gyres constitute the majority of oceanic water, yet are under-sampled due to their inaccessibility and under-represented in global in situ databases. The Atlantic Meridional Transect (AMT) is one of only a few programmes that consistently sample oligotrophic waters. In this paper, we used a spectrophotometer on two AMT cruises (AMT19 and AMT22) to continuously measure absorption by particles in the water of the ship's flow-through system. From these optical data continuous total chlorophyll-a concentrations were estimated with high precision and accuracy along each cruise and used to evaluate the performance of ocean-colour algorithms. We conducted the evaluation using level 3 binned ocean-colour products, and used the high spatial and temporal resolution of the underway system to maximise the number of match-ups on each cruise. Statistical comparisons show a significant improvement in the performance of satellite chlorophyll algorithms over previous studies, with root mean square errors on average less than half (~ 0.16 in log10 space) that reported previously using global datasets (~ 0.34 in log10 space). This improved performance is likely due to the use of continuous absorption-based chlorophyll estimates, that are highly accurate, sample spatial scales more comparable with satellite pixels, and minimise human errors. Previous comparisons might have reported higher errors due to regional biases in datasets and methodological inconsistencies between investigators. Furthermore, our comparison showed an underestimate in satellite chlorophyll at low concentrations in 2012 (AMT22), likely due to a small bias in satellite remote-sensing reflectance data. Our results highlight the benefits of using underway spectrophotometric systems for evaluating satellite ocean-colour data and underline the importance of maintaining in situ observatories that sample the oligotrophic gyres.

Underway spectrophotometry along the Atlantic Meridional Transect reveals high performance in satellite chlorophyll retrievals

To evaluate the performance of ocean-colour retrievals of total chlorophyll-a concentration requires direct comparison with concomitant and co-located in situ data. For global comparisons, these in situ match-ups should be ideally representative of the distribution of total chlorophyll-a concentration in the global ocean. The oligotrophic gyres constitute the majority of oceanic water, yet are under-sampled due to their inaccessibility and under-represented in global in situ databases. The Atlantic Meridional Transect (AMT) is one of only a few programmes that consistently sample oligotrophic waters. In this paper, we used a spectrophotometer on two AMT cruises (AMT19 and AMT22) to continuously measure absorption by particles in the water of the ship's flow-through system. From these optical data continuous total chlorophyll-a concentrations were estimated with high precision and accuracy along each cruise and used to evaluate the performance of ocean-colour algorithms. We conducted the evaluation using level 3 binned ocean-colour products, and used the high spatial and temporal resolution of the underway system to maximise the number of match-ups on each cruise. Statistical comparisons show a significant improvement in the performance of satellite chlorophyll algorithms over previous studies, with root mean square errors on average less than half (~ 0.16 in log10 space) that reported previously using global datasets (~ 0.34 in log10 space). This improved performance is likely due to the use of continuous absorption-based chlorophyll estimates, that are highly accurate, sample spatial scales more comparable with satellite pixels, and minimise human errors. Previous comparisons might have reported higher errors due to regional biases in datasets and methodological inconsistencies between investigators. Furthermore, our comparison showed an underestimate in satellite chlorophyll at low concentrations in 2012 (AMT22), likely due to a small bias in satellite remote-sensing reflectance data. Our results highlight the benefits of using underway spectrophotometric systems for evaluating satellite ocean-colour data and underline the importance of maintaining in situ observatories that sample the oligotrophic gyres.

Assessing trends in land use change in the Borana rangeland Ethiopia as one cause of greenhouse gas emissions and carbon sequestration variations

Landnutzungsänderungen sind eine wesentliche Ursache von Treibhausgasemissionen. Die Umwandlung von Ökosystemen mit permanenter natürlicher Vegetation hin zu Ackerbau mit zeitweise vegetationslosem Boden (z.B. nach der Bodenbearbeitung vor der Aussaat) führt häufig zu gesteigerten Treibhausgasemissionen und verminderter Kohlenstoffbindung. Weltweit dehnt sich Ackerbau sowohl in kleinbäuerlichen als auch in agro-industriellen Systemen aus, häufig in benachbarte semiaride bis subhumide Rangeland Ökosysteme. Die vorliegende Arbeit untersucht Trends der Landnutzungsänderung im Borana Rangeland Südäthiopiens. Bevölkerungswachstum, Landprivatisierung und damit einhergehende Einzäunung, veränderte Landnutzungspolitik und zunehmende Klimavariabilität führen zu raschen Veränderungen der traditionell auf Tierhaltung basierten, pastoralen Systeme. Mittels einer Literaturanalyse von Fallstudien in ostafrikanischen Rangelands wurde im Rahmen dieser Studie ein schematisches Modell der Zusammenhänge von Landnutzung, Treibhausgasemissionen und Kohlenstofffixierung entwickelt. Anhand von Satellitendaten und Daten aus Haushaltsbefragungen wurden Art und Umfang von Landnutzungsänderungen und Vegetationsveränderungen an fünf Untersuchungsstandorten (Darito/Yabelo Distrikt, Soda, Samaro, Haralo, Did Mega/alle Dire Distrikt) zwischen 1985 und 2011 analysiert. In Darito dehnte sich die Ackerbaufläche um 12% aus, überwiegend auf Kosten von Buschland. An den übrigen Standorten blieb die Ackerbaufläche relativ konstant, jedoch nahm Graslandvegetation um zwischen 16 und 28% zu, während Buschland um zwischen 23 und 31% abnahm. Lediglich am Standort Haralo nahm auch „bare land“, vegetationslose Flächen, um 13% zu. Faktoren, die zur Ausdehnung des Ackerbaus führen, wurden am Standort Darito detaillierter untersucht. GPS Daten und anbaugeschichtlichen Daten von 108 Feldern auf 54 Betrieben wurden in einem Geographischen Informationssystem (GIS) mit thematischen Boden-, Niederschlags-, und Hangneigungskarten sowie einem Digitales Höhenmodell überlagert. Multiple lineare Regression ermittelte Hangneigung und geographische Höhe als signifikante Erklärungsvariablen für die Ausdehnung von Ackerbau in niedrigere Lagen. Bodenart, Entfernung zum saisonalen Flusslauf und Niederschlag waren hingegen nicht signifikant. Das niedrige Bestimmtheitsmaß (R²=0,154) weist darauf hin, dass es weitere, hier nicht erfasste Erklärungsvariablen für die Richtung der räumlichen Ausweitung von Ackerland gibt. Streudiagramme zu Ackergröße und Anbaujahren in Relation zu geographischer Höhe zeigen seit dem Jahr 2000 eine Ausdehnung des Ackerbaus in Lagen unter 1620 müNN und eine Zunahme der Schlaggröße (>3ha). Die Analyse der phänologischen Entwicklung von Feldfrüchten im Jahresverlauf in Kombination mit Niederschlagsdaten und normalized difference vegetation index (NDVI) Zeitreihendaten dienten dazu, Zeitpunkte besonders hoher (Begrünung vor der Ernte) oder niedriger (nach der Bodenbearbeitung) Pflanzenbiomasse auf Ackerland zu identifizieren, um Ackerland und seine Ausdehnung von anderen Vegetationsformen fernerkundlich unterscheiden zu können. Anhand der NDVI Spektralprofile konnte Ackerland gut Wald, jedoch weniger gut von Gras- und Buschland unterschieden werden. Die geringe Auflösung (250m) der Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) NDVI Daten führte zu einem Mixed Pixel Effect, d.h. die Fläche eines Pixels beinhaltete häufig verschiedene Vegetationsformen in unterschiedlichen Anteilen, was deren Unterscheidung beeinträchtigte. Für die Entwicklung eines Echtzeit Monitoring Systems für die Ausdehnung des Ackerbaus wären höher auflösende NDVI Daten (z.B. Multispektralband, Hyperion EO-1 Sensor) notwendig, um kleinräumig eine bessere Differenzierung von Ackerland und natürlicher Rangeland-Vegetation zu erhalten. Die Entwicklung und der Einsatz solcher Methoden als Entscheidungshilfen für Land- und Ressourcennutzungsplanung könnte dazu beitragen, Produktions- und Entwicklungsziele der Borana Landnutzer mit nationalen Anstrengungen zur Eindämmung des Klimawandels durch Steigerung der Kohlenstofffixierung in Rangelands in Einklang zu bringen.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Conception et caractérisation d'un dosimètre à fibre scintillante pour des applications en imagerie diagnostique et interventionnelle

Cette thèse a pour sujet le développement d’un détecteur à fibre scintillante plastique pour la dosimétrie des faisceaux de photons de basses énergies. L’objectif principal du projet consiste à concevoir et caractériser cet instrument en vue de mesurer la dose de radiation reçue au cours des examens d’imagerie diagnostique et interventionnelle. La première section est consacrée à la conception de six différents systèmes et à l’évaluation de leur performance lorsqu’ils sont exposés à des rayonnements de hautes et basses énergies. Tous les systèmes évalués présentaient un écart type relatif (RSD) de moins de 5 % lorsqu’ils étaient exposés à des débits de dose de plus de 3 mGy/s. Cette approche systématique a permis de déterminer que le tube photomultiplicateur répondait le mieux aux conditions d’exposition propres à la radiologie. Ce dernier présentait une RSD de moins de 1 % lorsque le débit de dose était inférieur à 0.10 mGy/s. L’étude des résultats permis également de suggérer quelques recommandations dans le choix d’un système en fonction de l’application recherchée. La seconde partie concerne l’application de ce détecteur à la radiologie interventionnelle en procédant à des mesures de dose à la surface d’un fantôme anthropomorphique. Ainsi, plusieurs situations cliniques ont été reproduites afin d’observer la précision et la fiabilité du détecteur. Ce dernier conserva une RSD inférieure à 2 % lorsque le débit de dose était supérieur à 3 mGy/min et d’environ 10 % au débit le plus faible (0.25 mGy/min). Les mesures sur fantôme montrèrent une différence de moins de 4 % entre les mesures du détecteur et celles d’une chambre d’ionisation lors du déplacement de la table ou du bras de l’appareil de fluoroscopie. Par ailleurs, cette différence est demeurée sous les 2 % lors des mesures de débit de dose en profondeur. Le dernier sujet de cette thèse porta sur les fondements physiques de la scintillation dans les scintillateurs plastiques. Les différents facteurs influençant l’émission lumineuse ont été analysés afin d’identifier leur contribution respective. Ainsi, la réponse du détecteur augmente de près d’un facteur 4 entre un faisceau de 20 kVp et 250 kVp. De ce signal, la contribution de la fluorescence produite dans la fibre claire était inférieure à 0.5 % lorsque les fibres étaient exposées sur 10 cm par des faisceaux de 20 à 250 kVp. Le phénomène d’extinction de la fluorescence par ionisation a également été étudié. Ainsi, l’atténuation du signal variait en fonction de l’énergie du faisceau et atteignit environ 20 % pour un faisceau de 20 kVp. En conclusion, cette étude suggère que les détecteurs à fibres scintillantes peuvent mesurer avec précision la dose de radiation reçue en imagerie diagnostique et interventionnelle, mais une calibration rigoureuse s’avère essentielle.

Conception, caractérisation et optimisation de SPAD en technologie Dalsa HV CMOS 0.8 μm pour intégration dans un 3D-SiPM

Résumé : Les photodiodes à avalanche monophotonique (SPAD) sont d'intérêts pour les applications requérant la détection de photons uniques avec une grande résolution temporelle, comme en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. En fait, les matrices de SPAD, souvent appelés photomultiplicateurs sur silicium (SiPM), remplacent graduellement les tubes photomultiplicateurs (PMT) et les photodiodes à avalanche (APD). De plus, il y a une tendance à utiliser les matrices de SPAD en technologie CMOS afin d'obtenir des pixels intelligents optimisés pour la résolution temporelle. La fabrication de SPAD en technologie CMOS commerciale apporte plusieurs avantages par rapport aux procédés optoélectroniques comme le faible coût, la capacité de production, l'intégration d'électronique et la miniaturisation des systèmes. Cependant, le défaut principal du CMOS est le manque de flexibilité de conception au niveau de l'architecture du SPAD, causé par le caractère fixe et standardisé des étapes de fabrication en technologie CMOS. Un autre inconvénient des matrices de SPAD CMOS est la perte de surface photosensible amenée par la présence de circuits CMOS. Ce document présente la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués dans une technologie CMOS commerciale (Teledyne DALSA 0.8µm HV CMOS - TDSI CMOSP8G). Des modifications de procédé sur mesure ont été introduites en collaboration avec l'entreprise CMOS pour optimiser les SPAD tout en gardant la compatibilité CMOS. Les matrices de SPAD produites sont dédiées à être intégrées en 3D avec de l'électronique CMOS économique (TDSI) ou avec de l'électronique CMOS submicronique avancée, produisant ainsi un SiPM 3D numérique. Ce SiPM 3D innovateur vise à remplacer les PMT, les APD et les SiPM commerciaux dans les applications à haute résolution temporelle. L'objectif principal du groupe de recherche est de développer un SiPM 3D avec une résolution temporelle de 10 ps pour usage en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. Ces applications demandent des procédés fiables avec une capacité de production certifiée, ce qui justifie la volonté de produire le SiPM 3D avec des technologies CMOS commerciales. Ce mémoire étudie la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués en technologie TDSI-CMOSP8G.

Spatialisation du modèle de couvert nival SNOWPACK dans le Nord canadien pour l’étude de l’accès à la nourriture du caribou de Peary

Le caribou de Peary est l’unité désignable du caribou la plus septentrionale ; sa population a chuté d’environ 70% au cours des trois dernières générations. Le Comité sur la situation des espèces en péril au Canada (COSEPAC) identifie les conditions difficiles d’accès à la nourriture à travers le couvert nival comme le facteur le plus influant contribuant à ce déclin. Cette étude se concentre sur l’établissement d’un outil spatial de caractérisation des conditions nivales pour l’accès à la nourriture du caribou de Peary dans le Nord canadien, utilisant des simulations du couvert nival générées avec le logiciel suisse SNOWPACK à partir des données du Modèle Régional Climatique Canadien. Le cycle de vie du caribou de Peary a été divisé en trois périodes critiques : la période de mise bas et de migration printanière (avril – juin), celle d’abondance de nourriture et de rut (juillet – octobre) et celle de migration automnale et de survie des jeunes caribous (novembre – mars). Les conditions nivales sont analysées et les simulations du couvert nival comparées aux comptes insulaires de caribous de Peary pour identifier un paramètre nival qui agirait comme prédicateur des conditions d’accès à la nourriture et expliquerait les fluctuations des comptes de caribous. Cette analyse conclue que ces comptes sont affectés par des densités de neige au-dessus de 300 kg/m³. Un outil logiciel cartographiant à une échelle régionale (dans l’archipel arctique canadien) les conditions d’accès à la nourriture possiblement favorables et non favorables basées sur la neige est proposé. Des exemples spécifiques de sorties sont données pour montrer l’utilité de l’outil, en cartographiant les pixels selon l’épaisseur cumulée de neige au-dessus de densités de 300 kg/m³, où des épaisseurs cumulées au-dessus de 7000 cm par hiver sont considérées comme non favorables pour le caribou de Peary.

Structure morphologique et populations stellaires d’un échantillon de galaxies spirales

Afin de caractériser la structure morphologique et les populations stellaires d’un échantillon de treize galaxies spirales, j’ai analysé des images WISE et GALEX, et j’ai construit des diagrammes magnitude-magnitude et couleur-magnitude pixel à pixel. Les diagrammes présentent des groupes de pixels qui correspondent spatialement aux composantes structurales des galaxies. Les diagrammes ainsi que les profils radiaux de brillance de surface indiquent que les variations de la densité surfacique de masse de la vieille population stellaire jouent un rôle important dans la différenciation des structures. On estime l’âge des jeunes complexes stellaires et l’extinction dans ces galaxies en les comparant à des modèles de populations stellaires simples nées de sursauts de formation stellaire instantanée. L’étude de ces propriétés est possible grâce à la combinaison des données ultraviolettes et infrarouge et à la grande sensibilité de la couleur ultraviolette à la variation de l’âge. On observe un gradient d’extinction dont la pente est liée à la présence d’une barre ou d’une activité nucléaire : en effet, l’extinction décroît avec la distance galactocentrique et la pente est plus petite pour les galaxies ayant une barre ou une activité nucléaire. On observe également un gradient d’âge où les régions externes sont moins évoluées que celles du centre sauf pour les galaxies de type tardif.

Conception, fabrication et caractérisation d'un biocapteur SPR à base de guides d'ondes photoniques sur substrat de verre

Résumé : Malgré le nombre croissant de capteurs dans les domaines de la chimie et la biologie, il reste encore à étudier en profondeur la complexité des interactions entre les différentes molécules présentes lors d’une détection à l’interface solide-liquide. Dans ce cadre, il est de tout intérêt de croiser différentes méthodes de détection afin d’obtenir des informations complémentaires. Le principal objectif de cette étude est de dimensionner, fabriquer et caractériser un détecteur optique intégré sur verre basé sur la résonance plasmonique de surface, destiné à terme à être combiné avec d’autres techniques de détection, dont un microcalorimètre. La résonance plasmonique de surface est une technique reconnue pour sa sensibilité adaptée à la détection de surface, qui a l’avantage d’être sans marquage et permet de fournir un suivi en temps réel de la cinétique d’une réaction. L’avantage principal de ce capteur est qu’il a été dimensionné pour une large gamme d’indice de réfraction de l’analyte, allant de 1,33 à 1,48. Ces valeurs correspondent à la plupart des entités biologiques associées à leurs couches d’accroche dont les matrices de polymères, présentés dans ce travail. Étant donné que beaucoup d’études biologiques nécessitent la comparaison de la mesure à une référence ou à une autre mesure, le second objectif du projet est d’étudier le potentiel du système SPR intégré sur verre pour la détection multi-analyte. Les trois premiers chapitres se concentrent sur l’objectif principal du projet. Le dimensionnement du dispositif est ainsi présenté, basé sur deux modélisations différentes, associées à plusieurs outils de calcul analytique et numérique. La première modélisation, basée sur l’approximation des interactions faibles, permet d’obtenir la plupart des informations nécessaires au dimensionnement du dispositif. La seconde modélisation, sans approximation, permet de valider le premier modèle approché et de compléter et affiner le dimensionnement. Le procédé de fabrication de la puce optique sur verre est ensuite décrit, ainsi que les instruments et protocoles de caractérisation. Un dispositif est obtenu présentant des sensibilités volumiques entre 1000 nm/RIU et 6000 nm/RIU suivant l’indice de réfraction de l’analyte. L’intégration 3D du guide grâce à son enterrage sélectif dans le verre confère au dispositif une grande compacité, le rendant adapté à la cointégration avec un microcalorimètre en particulier. Le dernier chapitre de la thèse présente l’étude de plusieurs techniques de multiplexage spectral adaptées à un système SPR intégré, exploitant en particulier la technologie sur verre. L’objectif est de fournir au moins deux détections simultanées. Dans ce cadre, plusieurs solutions sont proposées et les dispositifs associés sont dimensionnés, fabriqués et testés.

Near-infraread observation of supernovae with the Nordic Optical Telescope (NOT)

Supernova (SN) is an explosion of a star at the end of its lifetime. SNe are classified to two types, namely type I and II through the optical spectra. They have been categorised based on their explosion mechanism, to core collapse supernovae (CCSNe) and thermonuclear supernovae. The CCSNe group which includes types IIP, IIn, IIL, IIb, Ib, and Ic are produced when a massive star with initial mass more than 8 M⊙ explodes due to a collapse of its iron core. On the other hand, thermonuclear SNe originate from white dwarfs (WDs) made of carbon and oxygen, in a binary system. Infrared astronomy covers observations of astronomical objects in infrared radiation. The infrared sky is not completely dark and it is variable. Observations of SNe in the infrared give different information than optical observations. Data reduction is required to correct raw data from for example unusable pixels and sky background. In this project, the NOTCam package in the IRAF was used for the data reduction. For measuring magnitudes of SNe, the aperture photometry method with the Gaia program was used. In this Master’s thesis, near-infrared (NIR) observations of three supernovae of type IIn (namely LSQ13zm, SN 2009ip and SN2011jb), one type IIb (SN2012ey), in addition to one type Ic (SN2012ej) and type IIP (SN 2013gd) are studied with emphasis on luminosity and colour evolution. All observations were done with the Nordic Optical Telescope (NOT). Here, we used the classification by Mattila & Meikle (2001) [76], where the SNe are differentiated by the infrared light curves into two groups, namely ’ordinary’ and ’slowly declining’. The light curves and colour evolution of these supernovae were obtained in J, H and Ks bands. In this study, our data, combined with other observations, provide evidence to categorize LSQ13zm, SN 2012ej and SN 2012ey as being part of the ordinary type. We found interesting NIR behaviour of SN 2011jb, which lead it to be classified as a slowly declining type.