Development of cardiovascular magnetic resonance imaging techniques for improved characterization of atherosclerotic disease

Atherosclerosis is a chronic cardiovascular disease that involves the thicken¬ing of the artery walls as well as the formation of plaques (lesions) causing the narrowing of the lumens, in vessels such as the aorta, the coronary and the carotid arteries. Magnetic resonance imaging (MRI) is a promising modality for the assessment of atherosclerosis, as it is a non-invasive and patient-friendly procedure that does not use ionizing radiation. MRI offers high soft tissue con¬trast already without the need of intravenous contrast media; while modifica¬tion of the MR pulse sequences allows for further adjustment of the contrast for specific diagnostic needs. As such, MRI can create angiographic images of the vessel lumens to assess stenoses at the late stage of the disease, as well as blood flow-suppressed images for the early investigation of the vessel wall and the characterization of the atherosclerotic plaques. However, despite the great technical progress that occurred over the past two decades, MRI is intrinsically a low sensitive technique and some limitations still exist in terms of accuracy and performance. A major challenge for coronary artery imaging is respiratory motion. State- of-the-art diaphragmatic navigators rely on an indirect measure of motion, per¬form a ID correction, and have long and unpredictable scan time. In response, self-navigation (SM) strategies have recently been introduced that offer 100% scan efficiency and increased ease of use. SN detects respiratory motion di¬rectly from the image data obtained at the level of the heart, and retrospectively corrects the same data before final image reconstruction. Thus, SN holds po-tential for multi-dimensional motion compensation. To this regard, this thesis presents novel SN methods that estimate 2D and 3D motion parameters from aliased sub-images that are obtained from the same raw data composing the final image. Combination of all corrected sub-images produces a final image with reduced motion artifacts for the visualization of the coronaries. The first study (section 2.2, 2D Self-Navigation with Compressed Sensing) consists of a method for 2D translational motion compensation. Here, the use of com- pressed sensing (CS) reconstruction is proposed and investigated to support motion detection by reducing aliasing artifacts. In healthy human subjects, CS demonstrated an improvement in motion detection accuracy with simula¬tions on in vivo data, while improved coronary artery visualization was demon¬strated on in vivo free-breathing acquisitions. However, the motion of the heart induced by respiration has been shown to occur in three dimensions and to be more complex than a simple translation. Therefore, the second study (section 2.3,3D Self-Navigation) consists of a method for 3D affine motion correction rather than 2D only. Here, different techniques were adopted to reduce background signal contribution in respiratory motion tracking, as this can be adversely affected by the static tissue that surrounds the heart. The proposed method demonstrated to improve conspicuity and vi¬sualization of coronary arteries in healthy and cardiovascular disease patient cohorts in comparison to a conventional ID SN method. In the third study (section 2.4, 3D Self-Navigation with Compressed Sensing), the same tracking methods were used to obtain sub-images sorted according to the respiratory position. Then, instead of motion correction, a compressed sensing reconstruction was performed on all sorted sub-image data. This process ex¬ploits the consistency of the sorted data to reduce aliasing artifacts such that the sub-image corresponding to the end-expiratory phase can directly be used to visualize the coronaries. In a healthy volunteer cohort, this strategy improved conspicuity and visualization of the coronary arteries when compared to a con¬ventional ID SN method. For the visualization of the vessel wall and atherosclerotic plaques, the state- of-the-art dual inversion recovery (DIR) technique is able to suppress the signal coming from flowing blood and provide positive wall-lumen contrast. How¬ever, optimal contrast may be difficult to obtain and is subject to RR variability. Furthermore, DIR imaging is time-inefficient and multislice acquisitions may lead to prolonged scanning times. In response and as a fourth study of this thesis (chapter 3, Vessel Wall MRI of the Carotid Arteries), a phase-sensitive DIR method has been implemented and tested in the carotid arteries of a healthy volunteer cohort. By exploiting the phase information of images acquired after DIR, the proposed phase-sensitive method enhances wall-lumen contrast while widens the window of opportunity for image acquisition. As a result, a 3-fold increase in volumetric coverage is obtained at no extra cost in scanning time, while image quality is improved. In conclusion, this thesis presented novel methods to address some of the main challenges for MRI of atherosclerosis: the suppression of motion and flow artifacts for improved visualization of vessel lumens, walls and plaques. Such methods showed to significantly improve image quality in human healthy sub¬jects, as well as scan efficiency and ease-of-use of MRI. Extensive validation is now warranted in patient populations to ascertain their diagnostic perfor¬mance. Eventually, these methods may bring the use of atherosclerosis MRI closer to the clinical practice. Résumé L'athérosclérose est une maladie cardiovasculaire chronique qui implique le épaississement de la paroi des artères, ainsi que la formation de plaques (lé¬sions) provoquant le rétrécissement des lumières, dans des vaisseaux tels que l'aorte, les coronaires et les artères carotides. L'imagerie par résonance magné¬tique (IRM) est une modalité prometteuse pour l'évaluation de l'athérosclérose, car il s'agit d'une procédure non-invasive et conviviale pour les patients, qui n'utilise pas des rayonnements ionisants. L'IRM offre un contraste des tissus mous très élevé sans avoir besoin de médias de contraste intraveineux, tan¬dis que la modification des séquences d'impulsions de RM permet en outre le réglage du contraste pour des besoins diagnostiques spécifiques. À ce titre, l'IRM peut créer des images angiographiques des lumières des vaisseaux pour évaluer les sténoses à la fin du stade de la maladie, ainsi que des images avec suppression du flux sanguin pour une première enquête des parois des vais¬seaux et une caractérisation des plaques d'athérosclérose. Cependant, malgré les grands progrès techniques qui ont eu lieu au cours des deux dernières dé¬cennies, l'IRM est une technique peu sensible et certaines limitations existent encore en termes de précision et de performance. Un des principaux défis pour l'imagerie de l'artère coronaire est le mou¬vement respiratoire. Les navigateurs diaphragmatiques de pointe comptent sur une mesure indirecte de mouvement, effectuent une correction 1D, et ont un temps d'acquisition long et imprévisible. En réponse, les stratégies d'auto- navigation (self-navigation: SN) ont été introduites récemment et offrent 100% d'efficacité d'acquisition et une meilleure facilité d'utilisation. Les SN détectent le mouvement respiratoire directement à partir des données brutes de l'image obtenue au niveau du coeur, et rétrospectivement corrigent ces mêmes données avant la reconstruction finale de l'image. Ainsi, les SN détiennent un poten¬tiel pour une compensation multidimensionnelle du mouvement. A cet égard, cette thèse présente de nouvelles méthodes SN qui estiment les paramètres de mouvement 2D et 3D à partir de sous-images qui sont obtenues à partir des mêmes données brutes qui composent l'image finale. La combinaison de toutes les sous-images corrigées produit une image finale pour la visualisation des coronaires ou les artefacts du mouvement sont réduits. La première étude (section 2.2,2D Self-Navigation with Compressed Sensing) traite d'une méthode pour une compensation 2D de mouvement de translation. Ici, on étudie l'utilisation de la reconstruction d'acquisition comprimée (compressed sensing: CS) pour soutenir la détection de mouvement en réduisant les artefacts de sous-échantillonnage. Chez des sujets humains sains, CS a démontré une amélioration de la précision de la détection de mouvement avec des simula¬tions sur des données in vivo, tandis que la visualisation de l'artère coronaire sur des acquisitions de respiration libre in vivo a aussi été améliorée. Pourtant, le mouvement du coeur induite par la respiration se produit en trois dimensions et il est plus complexe qu'un simple déplacement. Par conséquent, la deuxième étude (section 2.3, 3D Self-Navigation) traite d'une méthode de cor¬rection du mouvement 3D plutôt que 2D uniquement. Ici, différentes tech¬niques ont été adoptées pour réduire la contribution du signal du fond dans le suivi de mouvement respiratoire, qui peut être influencé négativement par le tissu statique qui entoure le coeur. La méthode proposée a démontré une amélioration, par rapport à la procédure classique SN de correction 1D, de la visualisation des artères coronaires dans le groupe de sujets sains et des pa¬tients avec maladies cardio-vasculaires. Dans la troisième étude (section 2.4,3D Self-Navigation with Compressed Sensing), les mêmes méthodes de suivi ont été utilisées pour obtenir des sous-images triées selon la position respiratoire. Au lieu de la correction du mouvement, une reconstruction de CS a été réalisée sur toutes les sous-images triées. Cette procédure exploite la cohérence des données pour réduire les artefacts de sous- échantillonnage de telle sorte que la sous-image correspondant à la phase de fin d'expiration peut directement être utilisée pour visualiser les coronaires. Dans un échantillon de volontaires en bonne santé, cette stratégie a amélioré la netteté et la visualisation des artères coronaires par rapport à une méthode classique SN ID. Pour la visualisation des parois des vaisseaux et de plaques d'athérosclérose, la technique de pointe avec double récupération d'inversion (DIR) est capa¬ble de supprimer le signal provenant du sang et de fournir un contraste posi¬tif entre la paroi et la lumière. Pourtant, il est difficile d'obtenir un contraste optimal car cela est soumis à la variabilité du rythme cardiaque. Par ailleurs, l'imagerie DIR est inefficace du point de vue du temps et les acquisitions "mul- tislice" peuvent conduire à des temps de scan prolongés. En réponse à ce prob¬lème et comme quatrième étude de cette thèse (chapitre 3, Vessel Wall MRI of the Carotid Arteries), une méthode de DIR phase-sensitive a été implémenté et testé

Cardiovascular magnetic resonance imaging techniques for motion-suppressed multi-dimensional coronary artery imaging with high spatial and temporal resolution

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) peut fournir aux cardiologues des informations diagnostiques importantes sur l'état de la maladie de l'artère coronarienne dans les patients. Le défi majeur pour l'IRM cardiaque est de gérer toutes les sources de mouvement qui peuvent affecter la qualité des images en réduisant l'information diagnostique. Cette thèse a donc comme but de développer des nouvelles techniques d'acquisitions des images IRM, en changeant les techniques de compensation du mouvement, pour en augmenter l'efficacité, la flexibilité, la robustesse et pour obtenir plus d'information sur le tissu et plus d'information temporelle. Les techniques proposées favorisent donc l'avancement de l'imagerie des coronaires dans une direction plus maniable et multi-usage qui peut facilement être transférée dans l'environnement clinique. La première partie de la thèse s'est concentrée sur l'étude du mouvement des artères coronariennes sur des patients en utilisant la techniques d'imagerie standard (rayons x), pour mesurer la précision avec laquelle les artères coronariennes retournent dans la même position battement après battement (repositionnement des coronaires). Nous avons découvert qu'il y a des intervalles dans le cycle cardiaque, tôt dans la systole et à moitié de la diastole, où le repositionnement des coronaires est au minimum. En réponse nous avons développé une nouvelle séquence d'acquisition (T2-post) capable d'acquérir les données aussi tôt dans la systole. Cette séquence a été testée sur des volontaires sains et on a pu constater que la qualité de visualisation des artère coronariennes est égale à celle obtenue avec les techniques standard. De plus, le rapport signal sur bruit fourni par la séquence d'acquisition proposée est supérieur à celui obtenu avec les techniques d'imagerie standard. La deuxième partie de la thèse a exploré un paradigme d'acquisition des images cardiaques complètement nouveau pour l'imagerie du coeur entier. La technique proposée dans ce travail acquiert les données sans arrêt (free-running) au lieu d'être synchronisée avec le mouvement cardiaque. De cette façon, l'efficacité de la séquence d'acquisition est augmentée de manière significative et les images produites représentent le coeur entier dans toutes les phases cardiaques (quatre dimensions, 4D). Par ailleurs, l'auto-navigation de la respiration permet d'effectuer cette acquisition en respiration libre. Cette technologie rend possible de visualiser et évaluer l'anatomie du coeur et de ses vaisseaux ainsi que la fonction cardiaque en quatre dimensions et avec une très haute résolution spatiale et temporelle, sans la nécessité d'injecter un moyen de contraste. Le pas essentiel qui a permis le développement de cette technique est l'utilisation d'une trajectoire d'acquisition radiale 3D basée sur l'angle d'or. Avec cette trajectoire, il est possible d'acquérir continûment les données d'espace k, puis de réordonner les données et choisir les paramètres temporel des images 4D a posteriori. L'acquisition 4D a été aussi couplée avec un algorithme de reconstructions itératif (compressed sensing) qui permet d'augmenter la résolution temporelle tout en augmentant la qualité des images. Grâce aux images 4D, il est possible maintenant de visualiser les artères coronariennes entières dans chaque phase du cycle cardiaque et, avec les mêmes données, de visualiser et mesurer la fonction cardiaque. La qualité des artères coronariennes dans les images 4D est la même que dans les images obtenues avec une acquisition 3D standard, acquise en diastole Par ailleurs, les valeurs de fonction cardiaque mesurées au moyen des images 4D concorde avec les valeurs obtenues avec les images 2D standard. Finalement, dans la dernière partie de la thèse une technique d'acquisition a temps d'écho ultra-court (UTE) a été développée pour la visualisation in vivo des calcifications des artères coronariennes. Des études récentes ont démontré que les acquisitions UTE permettent de visualiser les calcifications dans des plaques athérosclérotiques ex vivo. Cepandent le mouvement du coeur a entravé jusqu'à maintenant l'utilisation des techniques UTE in vivo. Pour résoudre ce problème nous avons développé une séquence d'acquisition UTE avec trajectoire radiale 3D et l'avons testée sur des volontaires. La technique proposée utilise une auto-navigation 3D pour corriger le mouvement respiratoire et est synchronisée avec l'ECG. Trois échos sont acquis pour extraire le signal de la calcification avec des composants au T2 très court tout en permettant de séparer le signal de la graisse depuis le signal de l'eau. Les résultats sont encore préliminaires mais on peut affirmer que la technique développé peut potentiellement montrer les calcifications des artères coronariennes in vivo. En conclusion, ce travail de thèse présente trois nouvelles techniques pour l'IRM du coeur entier capables d'améliorer la visualisation et la caractérisation de la maladie athérosclérotique des coronaires. Ces techniques fournissent des informations anatomiques et fonctionnelles en quatre dimensions et des informations sur la composition du tissu auparavant indisponibles. CORONARY artery magnetic resonance imaging (MRI) has the potential to provide the cardiologist with relevant diagnostic information relative to coronary artery disease of patients. The major challenge of cardiac MRI, though, is dealing with all sources of motions that can corrupt the images affecting the diagnostic information provided. The current thesis, thus, focused on the development of new MRI techniques that change the standard approach to cardiac motion compensation in order to increase the efficiency of cardioavscular MRI, to provide more flexibility and robustness, new temporal information and new tissue information. The proposed approaches help in advancing coronary magnetic resonance angiography (MRA) in the direction of an easy-to-use and multipurpose tool that can be translated to the clinical environment. The first part of the thesis focused on the study of coronary artery motion through gold standard imaging techniques (x-ray angiography) in patients, in order to measure the precision with which the coronary arteries assume the same position beat after beat (coronary artery repositioning). We learned that intervals with minimal coronary artery repositioning occur in peak systole and in mid diastole and we responded with a new pulse sequence (T2~post) that is able to provide peak-systolic imaging. Such a sequence was tested in healthy volunteers and, from the image quality comparison, we learned that the proposed approach provides coronary artery visualization and contrast-to-noise ratio (CNR) comparable with the standard acquisition approach, but with increased signal-to-noise ratio (SNR). The second part of the thesis explored a completely new paradigm for whole- heart cardiovascular MRI. The proposed techniques acquires the data continuously (free-running), instead of being triggered, thus increasing the efficiency of the acquisition and providing four dimensional images of the whole heart, while respiratory self navigation allows for the scan to be performed in free breathing. This enabling technology allows for anatomical and functional evaluation in four dimensions, with high spatial and temporal resolution and without the need for contrast agent injection. The enabling step is the use of a golden-angle based 3D radial trajectory, which allows for a continuous sampling of the k-space and a retrospective selection of the timing parameters of the reconstructed dataset. The free-running 4D acquisition was then combined with a compressed sensing reconstruction algorithm that further increases the temporal resolution of the 4D dataset, while at the same time increasing the overall image quality by removing undersampling artifacts. The obtained 4D images provide visualization of the whole coronary artery tree in each phases of the cardiac cycle and, at the same time, allow for the assessment of the cardiac function with a single free- breathing scan. The quality of the coronary arteries provided by the frames of the free-running 4D acquisition is in line with the one obtained with the standard ECG-triggered one, and the cardiac function evaluation matched the one measured with gold-standard stack of 2D cine approaches. Finally, the last part of the thesis focused on the development of ultrashort echo time (UTE) acquisition scheme for in vivo detection of calcification in the coronary arteries. Recent studies showed that UTE imaging allows for the coronary artery plaque calcification ex vivo, since it is able to detect the short T2 components of the calcification. The heart motion, though, prevented this technique from being applied in vivo. An ECG-triggered self-navigated 3D radial triple- echo UTE acquisition has then been developed and tested in healthy volunteers. The proposed sequence combines a 3D self-navigation approach with a 3D radial UTE acquisition enabling data collection during free breathing. Three echoes are simultaneously acquired to extract the short T2 components of the calcification while a water and fat separation technique allows for proper visualization of the coronary arteries. Even though the results are still preliminary, the proposed sequence showed great potential for the in vivo visualization of coronary artery calcification. In conclusion, the thesis presents three novel MRI approaches aimed at improved characterization and assessment of atherosclerotic coronary artery disease. These approaches provide new anatomical and functional information in four dimensions, and support tissue characterization for coronary artery plaques.

Source separation techniques applied to linear prediction

The prediction filters are well known models for signal estimation, in communications, control and many others areas. The classical method for deriving linear prediction coding (LPC) filters is often based on the minimization of a mean square error (MSE). Consequently, second order statistics are only required, but the estimation is only optimal if the residue is independent and identically distributed (iid) Gaussian. In this paper, we derive the ML estimate of the prediction filter. Relationships with robust estimation of auto-regressive (AR) processes, with blind deconvolution and with source separation based on mutual information minimization are then detailed. The algorithm, based on the minimization of a high-order statistics criterion, uses on-line estimation of the residue statistics. Experimental results emphasize on the interest of this approach.

On cumulant techniques in speech processing

This paper analyzes applications of cumulant analysis in speech processing. A special focus is made on different second-order statistics. A dominant role is played by an integral representation for cumulants by means of integrals involving cyclic products of kernels.

Regression-based techniques for statistical decision making in single-case designs

The present study evaluates the performance of four methods for estimating regression coefficients used to make statistical decisions regarding intervention effectiveness in single-case designs. Ordinary least squares estimation is compared to two correction techniques dealing with general trend and one eliminating autocorrelation whenever it is present. Type I error rates and statistical power are studied for experimental conditions defined by the presence or absence of treatment effect (change in level or in slope), general trend, and serial dependence. The results show that empirical Type I error rates do not approximate the nominal ones in presence of autocorrelation or general trend when ordinary and generalized least squares are applied. The techniques controlling trend show lower false alarm rates, but prove to be insufficiently sensitive to existing treatment effects. Consequently, the use of the statistical significance of the regression coefficients for detecting treatment effects is not recommended for short data series.

Imaging techniques applied for detection of secretion, transgene delivery and G proteincoupled receptors in reproductive and endocrine cells in vivo and in vitro

Post-testicular sperm maturation occurs in the epididymis. The ion concentration and proteins secreted into the epididymal lumen, together with testicular factors, are believed to be responsible for the maturation of spermatozoa. Disruption of the maturation of spermatozoa in the epididymis provides a promising strategy for generating a male contraceptive. However, little is known about the proteins involved. For drug development, it is also essential to have tools to study the function of these proteins in vitro. One approach for screening novel targets is to study the secretory products of the epididymis or the G protein-coupled receptors (GPCRs) that are involved in the maturation process of the spermatozoa. The modified Ca2+ imaging technique to monitor release from PC12 pheochromocytoma cells can also be applied to monitor secretory products involved in the maturational processes of spermatozoa. PC12 pheochromocytoma cells were chosen for evaluation of this technique as they release catecholamines from their cell body, thus behaving like endocrine secretory cells. The results of the study demonstrate that depolarisation of nerve growth factor -differentiated PC12 cells releases factors which activate nearby randomly distributed HEL erythroleukemia cells. Thus, during the release process, the ligands reach concentrations high enough to activate receptors even in cells some distance from the release site. This suggests that communication between randomly dispersed cells is possible even if the actual quantities of transmitter released are extremely small. The development of a novel method to analyse GPCR-dependent Ca2+ signalling in living slices of mouse caput epididymis is an additional tool for screening for drug targets. By this technique it was possible to analyse functional GPCRs in the epithelial cells of the ductus epididymis. The results revealed that, both P2X- and P2Y-type purinergic receptors are responsible for the rapid and transient Ca2+ signal detected in the epithelial cells of caput epididymides. Immunohistochemical and reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RTPCR) analyses showed the expression of at least P2X1, P2X2, P2X4 and P2X7, and P2Y1 and P2Y2 receptors in the epididymis. Searching for epididymis-specific promoters for transgene delivery into the epididymis is of key importance for the development of specific models for drug development. We used EGFP as the reporter gene to identify proper promoters to deliver transgenes into the epithelial cells of the mouse epididymis in vivo. Our results revealed that the 5.0 kb murine Glutathione peroxidase 5 (GPX5) promoter can be used to target transgene expression into the epididymis while the 3.8 kb Cysteine-rich secretory protein-1 (CRISP-1) promoter can be used to target transgene expression into the testis. Although the visualisation of EGFP in living cells in culture usually poses few problems, the detection of EGFP in tissue sections can be more difficult because soluble EGFP molecules can be lost if the cell membrane is damaged by freezing, sectioning, or permeabilisation. Furthermore, the fluorescence of EGFP is dependent on its conformation. Therefore, fixation protocols that immobilise EGFP may also destroy its usefulness as a fluorescent reporter. We therefore developed a novel tissue preparation and preservation techniques for EGFP. In addition, fluorescence spectrophotometry with epididymal epithelial cells in suspension revealed the expression of functional purinergic, adrenergic, cholinergic and bradykinin receptors in these cell lines (mE-Cap27 and mE-Cap28). In conclusion, we developed new tools for studying the role of the epididymis in sperm maturation. We developed a new technique to analyse GPCR dependent Ca2+ signalling in living slices of mouse caput epididymis. In addition, we improved the method of detecting reporter gene expression. Furthermore, we characterised two epididymis-specific gene promoters, analysed the expression of GPCRs in epididymal epithelial cells and developed a novel technique for measurement of secretion from cells.

Standardisation of elemental analytical techniques applied to provenance studies of archaeological ceramics: an inter laboratory calibration study

Chemical analysis is a well-established procedure for the provenancing of archaeological ceramics. Various analytical techniques are routinely used and large amounts of data have been accumulated so far in data banks. However, in order to exchange results obtained by different laboratories, the respective analytical procedures need to be tested in terms of their inter-comparability. In this study, the schemes of analysis used in four laboratories that are involved in archaeological pottery studies on a routine basis were compared. The techniques investigated were neutron activation analysis (NAA), X-ray fluorescence analysis (XRF), inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). For this comparison series of measurements on different geological standard reference materials (SRM) were carried out and the results were statistically evaluated. An attempt was also made towards the establishment of calibration factors between pairs of analytical setups in order to smooth the systematic differences among the results.

Rockfall susceptibility assessment and remote geological mapping with LiDAR point clouds

Characterizing the geological features and structures in three dimensions over inaccessible rock cliffs is needed to assess natural hazards such as rockfalls and rockslides and also to perform investigations aimed at mapping geological contacts and building stratigraphy and fold models. Indeed, the detailed 3D data, such as LiDAR point clouds, allow to study accurately the hazard processes and the structure of geologic features, in particular in vertical and overhanging rock slopes. Thus, 3D geological models have a great potential of being applied to a wide range of geological investigations both in research and applied geology projects, such as mines, tunnels and reservoirs. Recent development of ground-based remote sensing techniques (LiDAR, photogrammetry and multispectral / hyperspectral images) are revolutionizing the acquisition of morphological and geological information. As a consequence, there is a great potential for improving the modeling of geological bodies as well as failure mechanisms and stability conditions by integrating detailed remote data. During the past ten years several large rockfall events occurred along important transportation corridors where millions of people travel every year (Switzerland: Gotthard motorway and railway; Canada: Sea to sky highway between Vancouver and Whistler). These events show that there is still a lack of knowledge concerning the detection of potential rockfalls, making mountain residential settlements and roads highly risky. It is necessary to understand the main factors that destabilize rocky outcrops even if inventories are lacking and if no clear morphological evidences of rockfall activity are observed. In order to increase the possibilities of forecasting potential future landslides, it is crucial to understand the evolution of rock slope stability. Defining the areas theoretically most prone to rockfalls can be particularly useful to simulate trajectory profiles and to generate hazard maps, which are the basis for land use planning in mountainous regions. The most important questions to address in order to assess rockfall hazard are: Where are the most probable sources for future rockfalls located? What are the frequencies of occurrence of these rockfalls? I characterized the fracturing patterns in the field and with LiDAR point clouds. Afterwards, I developed a model to compute the failure mechanisms on terrestrial point clouds in order to assess the susceptibility to rockfalls at the cliff scale. Similar procedures were already available to evaluate the susceptibility to rockfalls based on aerial digital elevation models. This new model gives the possibility to detect the most susceptible rockfall sources with unprecented detail in the vertical and overhanging areas. The results of the computation of the most probable rockfall source areas in granitic cliffs of Yosemite Valley and Mont-Blanc massif were then compared to the inventoried rockfall events to validate the calculation methods. Yosemite Valley was chosen as a test area because it has a particularly strong rockfall activity (about one rockfall every week) which leads to a high rockfall hazard. The west face of the Dru was also chosen for the relevant rockfall activity and especially because it was affected by some of the largest rockfalls that occurred in the Alps during the last 10 years. Moreover, both areas were suitable because of their huge vertical and overhanging cliffs that are difficult to study with classical methods. Limit equilibrium models have been applied to several case studies to evaluate the effects of different parameters on the stability of rockslope areas. The impact of the degradation of rockbridges on the stability of large compartments in the west face of the Dru was assessed using finite element modeling. In particular I conducted a back-analysis of the large rockfall event of 2005 (265'000 m3) by integrating field observations of joint conditions, characteristics of fracturing pattern and results of geomechanical tests on the intact rock. These analyses improved our understanding of the factors that influence the stability of rock compartments and were used to define the most probable future rockfall volumes at the Dru. Terrestrial laser scanning point clouds were also successfully employed to perform geological mapping in 3D, using the intensity of the backscattered signal. Another technique to obtain vertical geological maps is combining triangulated TLS mesh with 2D geological maps. At El Capitan (Yosemite Valley) we built a georeferenced vertical map of the main plutonio rocks that was used to investigate the reasons for preferential rockwall retreat rate. Additional efforts to characterize the erosion rate were made at Monte Generoso (Ticino, southern Switzerland) where I attempted to improve the estimation of long term erosion by taking into account also the volumes of the unstable rock compartments. Eventually, the following points summarize the main out puts of my research: The new model to compute the failure mechanisms and the rockfall susceptibility with 3D point clouds allows to define accurately the most probable rockfall source areas at the cliff scale. The analysis of the rockbridges at the Dru shows the potential of integrating detailed measurements of the fractures in geomechanical models of rockmass stability. The correction of the LiDAR intensity signal gives the possibility to classify a point cloud according to the rock type and then use this information to model complex geologic structures. The integration of these results, on rockmass fracturing and composition, with existing methods can improve rockfall hazard assessments and enhance the interpretation of the evolution of steep rockslopes. -- La caractérisation de la géologie en 3D pour des parois rocheuses inaccessibles est une étape nécessaire pour évaluer les dangers naturels tels que chutes de blocs et glissements rocheux, mais aussi pour réaliser des modèles stratigraphiques ou de structures plissées. Les modèles géologiques 3D ont un grand potentiel pour être appliqués dans une vaste gamme de travaux géologiques dans le domaine de la recherche, mais aussi dans des projets appliqués comme les mines, les tunnels ou les réservoirs. Les développements récents des outils de télédétection terrestre (LiDAR, photogrammétrie et imagerie multispectrale / hyperspectrale) sont en train de révolutionner l'acquisition d'informations géomorphologiques et géologiques. Par conséquence, il y a un grand potentiel d'amélioration pour la modélisation d'objets géologiques, ainsi que des mécanismes de rupture et des conditions de stabilité, en intégrant des données détaillées acquises à distance. Pour augmenter les possibilités de prévoir les éboulements futurs, il est fondamental de comprendre l'évolution actuelle de la stabilité des parois rocheuses. Définir les zones qui sont théoriquement plus propices aux chutes de blocs peut être très utile pour simuler les trajectoires de propagation des blocs et pour réaliser des cartes de danger, qui constituent la base de l'aménagement du territoire dans les régions de montagne. Les questions plus importantes à résoudre pour estimer le danger de chutes de blocs sont : Où se situent les sources plus probables pour les chutes de blocs et éboulement futurs ? Avec quelle fréquence vont se produire ces événements ? Donc, j'ai caractérisé les réseaux de fractures sur le terrain et avec des nuages de points LiDAR. Ensuite, j'ai développé un modèle pour calculer les mécanismes de rupture directement sur les nuages de points pour pouvoir évaluer la susceptibilité au déclenchement de chutes de blocs à l'échelle de la paroi. Les zones sources de chutes de blocs les plus probables dans les parois granitiques de la vallée de Yosemite et du massif du Mont-Blanc ont été calculées et ensuite comparés aux inventaires des événements pour vérifier les méthodes. Des modèles d'équilibre limite ont été appliqués à plusieurs cas d'études pour évaluer les effets de différents paramètres sur la stabilité des parois. L'impact de la dégradation des ponts rocheux sur la stabilité de grands compartiments de roche dans la paroi ouest du Petit Dru a été évalué en utilisant la modélisation par éléments finis. En particulier j'ai analysé le grand éboulement de 2005 (265'000 m3), qui a emporté l'entier du pilier sud-ouest. Dans le modèle j'ai intégré des observations des conditions des joints, les caractéristiques du réseau de fractures et les résultats de tests géoméchaniques sur la roche intacte. Ces analyses ont amélioré l'estimation des paramètres qui influencent la stabilité des compartiments rocheux et ont servi pour définir des volumes probables pour des éboulements futurs. Les nuages de points obtenus avec le scanner laser terrestre ont été utilisés avec succès aussi pour produire des cartes géologiques en 3D, en utilisant l'intensité du signal réfléchi. Une autre technique pour obtenir des cartes géologiques des zones verticales consiste à combiner un maillage LiDAR avec une carte géologique en 2D. A El Capitan (Yosemite Valley) nous avons pu géoréferencer une carte verticale des principales roches plutoniques que j'ai utilisé ensuite pour étudier les raisons d'une érosion préférentielle de certaines zones de la paroi. D'autres efforts pour quantifier le taux d'érosion ont été effectués au Monte Generoso (Ticino, Suisse) où j'ai essayé d'améliorer l'estimation de l'érosion au long terme en prenant en compte les volumes des compartiments rocheux instables. L'intégration de ces résultats, sur la fracturation et la composition de l'amas rocheux, avec les méthodes existantes permet d'améliorer la prise en compte de l'aléa chute de pierres et éboulements et augmente les possibilités d'interprétation de l'évolution des parois rocheuses.

Diagnosis of endocrine disease: High-yield thyroid fine-needle aspiration cytology: an update focused on ancillary techniques improving its accuracy.

Thyroid fine-needle aspiration (FNA) cytology is a fast growing field. One of the most developing areas is represented by molecular tests applied to cytological material. Patients that could benefit the most from these tests are those that have been diagnosed as 'indeterminate' on FNA. They could be better stratified in terms of malignancy risk and thus oriented with more confidence to the appropriate management. Taking in to consideration the need to improve and keep high the yield of thyroid FNA, professionals from various fields (i.e. molecular biologists, endocrinologists, nuclear medicine physicians and radiologists) are refining and fine-tuning their diagnostic instruments. In particular, all these developments aim at increasing the negative predictive value of FNA to improve the selection of patients for diagnostic surgery. These advances involve terminology, the application of next-generation sequencing to thyroid FNA, the use of immunocyto- and histo-chemistry, the development of new sampling techniques and the increasing use of nuclear medicine as well as molecular imaging in the management of patients with a thyroid nodule. Herein, we review the recent advances in thyroid FNA cytology that could be of interest to the 'thyroid-care' community, with particular focus on the indeterminate diagnostic category.

Territorialisation des politiques énergétiques dans l'agglomération franco-valdo-genevoise : la planification énergétique comme opportunité de réaménagement des zones frontières ?

La présente recherche traite des défis posés à l'action publique territoriale par la transition énergétique, transition désormais érigée au rang de priorité par les autorités françaises et suisses, comme plus globalement européennes. Elle prend pour cela appui sur une analyse des démarches de planification énergétique territoriale menées entre 2007 et 2014 sur le territoire franco-valdo-genevois (agglomération du « Grand-Genève »). Considérées comme des laboratoires d'expérimentation de la territorialisation des politiques énergétiques, ces démarches sont ici examinées selon une perspective institutionnaliste et pragmatiste visant à mettre lumière les éléments qui interviennent dans la délimitation du champ des possibles en matière d'action publique énergétique et territoriale. Ce positionnement découle des évolutions observées sur le territoire franco-valdo-genevois durant la période d'étude (chapitre 1). Il découle plus précisément du constat de récurrence de certains points de blocage rencontrés aussi bien dans les démarches de planification énergétique elles-mêmes que dans les travaux méthodologiques qui ont pu être réalisés parallèlement à ces démarches, dans le but d'en affiner les outils techniques et organisationnels de mise en oeuvre. Ainsi, le point de départ de la présente recherche est le constat selon lequel on peine tout autant à construire des solutions énergétiques appropriables et réalisables par les acteurs des territoires concernés qu'à reconfigurer les outils de production de ces solutions. De ce constat découle l'intérêt porté aux cadres institutionnels qui régissent ces planifications énergétiques territoriales. Définis comme l'ensemble des repères - formels et informels - qui rendent possibles en même temps qu'ils contraignent les interactions territorialisées entre les acteurs, ces cadres institutionnels sont placés au coeur de la grille de (re)lecture des expériences de planification énergétique territoriale établie au chapitre 2 de la thèse. En référence aux concepts institutionnalistes et pragmatistes sur lesquels elle prend appui, cette grille conduit à appréhender ces expériences comme autant d'enquêtes contribuant, à travers le travail de mobilisation et construction de représentations territoriales auquel elles donnent lieu, à l'équipement sociocognitif d'un champ d'intervention territorial spécifique. Partant de l'hypothèse selon laquelle les potentialités comme les limites associées à l'équipement sociocognitif de ce champ orientent les possibilités d'action collective, la réflexion consiste en une application de cette grille à une trentaine d'expériences de planification énergétique territoriale. Cette application s'effectue en deux temps, correspondant à deux niveaux de lecture de ces démarches. Le premier porte sur les dispositifs organisationnels et les modalités d'interactions entre les cultures d'action qu'elles réunissent (chapitre 3). Le second se concentre davantage sur les supports cognitifs (représentations territoriales) autour desquels se structurent ces interactions (chapitre 4). Présentés dans le dernier chapitre de la thèse (chapitre 5), les enseignements tirés de ce travail de réexamen des démarches franco-valdo-genevoises de planification énergétique territoriale sont de deux ordres. Ils portent d'abord sur les caractéristiques des cadres institutionnels existants, la manière dont ils orientent ces démarches et délimitent les évolutions possibles dans les modes d'action collective et plus particulièrement d'action publique qui y sont associés. Mais ils portent aussi sur les potentiels de changement associés à ces démarches, et sur les pistes envisageables pour mieux valoriser es potentiels, dont l'activation passe par des évolutions profondes des systèmes institutionnels en place. -- In France as in Switzerland, local authorities stand out as leading players of energy transition, a transition that requires an important renewal of public intervention instruments. It is the stakes and the conditions of such a renewal that the present work aims to examine, based on the experiments of territorial energy planning led on the franco-valdo-genevan cross-border territory. Conceived as initiatives of relocation of the energy supply system, these energy planning initiatives are examined through an institutionalist and pragmatic « reading template ». This « reading template » consists of seeing these energy planning initiatives as pragmatist inquiries aiming, through a collective work of cognitive equipment of the territorial franco-valdo-genevan field of intervention, at the reconstruction of the means of coordination between people about their material, organizational and political territory. It opens towards a double reading of the energy planning initiatives. The first one concentrates on the organizational dimension of these inquiries - i.e. on the cultures of action which they gather and the modalities of interaction between them - whereas the second focuses on the cognitive substance which represents the medium of the interactions. This double reading provides insights at various levels. The first one concerns the (cognitive) territorial field of intervention that these energy-planning experiments contribute to draw. A field which, although better and better characterized in its technical dimensions, remains at the same time limited and " deformed " so that it values more the fossil energy systems, from which we want to release ourselves, than the renewable ones, which we would like to replace them with. The second level of teaching concerns the processes of production of territorial knowledge (PPTK) which presides over the demarcation and « equipment » of the territorial field of intervention. Examined through the institutional norms and the culture of action at stake in them, this PPTK turns out to create a sociocognitive "cross-border" area, the kind of area that could shelter the desired reconfigurations...on the condition that they are beforehand correctly "equipped", in cognitive and also in organizational terms. The determining factor for the quality of this equipment is concentrated in the third category of teaching. Starting with the opportunities created by these energy planning experiments concerning the renewal of public intervention instruments, these elements also allow us to take a new look at the urban area project under construction in this cross-border territory, a project th t shows itself closely linked to the energy experiments through a common challenge of territorialisation.

Development of phase retrieval algorithm and techniques for optical spectrum analysis

Coherent anti-Stokes Raman scattering is the powerful method of laser spectroscopy in which significant successes are achieved. However, the non-linear nature of CARS complicates the analysis of the received spectra. The objective of this Thesis is to develop a new phase retrieval algorithm for CARS. It utilizes the maximum entropy method and the new wavelet approach for spectroscopic background correction of a phase function. The method was developed to be easily automated and used on a large number of spectra of different substances.. The algorithm was successfully tested on experimental data.