Vector flow mapping using plane wave ultrasound imaging

Les diagnostics cliniques des maladies cardio-vasculaires sont principalement effectués à l’aide d’échographies Doppler-couleur malgré ses restrictions : mesures de vélocité dépendantes de l’angle ainsi qu’une fréquence d’images plus faible à cause de focalisation traditionnelle. Deux études, utilisant des approches différentes, adressent ces restrictions en utilisant l’imagerie à onde-plane, post-traitée avec des méthodes de délai et sommation et d’autocorrélation. L’objectif de la présente étude est de ré-implémenté ces méthodes pour analyser certains paramètres qui affecte la précision des estimations de la vélocité du flux sanguin en utilisant le Doppler vectoriel 2D. À l’aide d’expériences in vitro sur des flux paraboliques stationnaires effectuées avec un système Verasonics, l’impact de quatre paramètres sur la précision de la cartographie a été évalué : le nombre d’inclinaisons par orientation, la longueur d’ensemble pour les images à orientation unique, le nombre de cycles par pulsation, ainsi que l’angle de l’orientation pour différents flux. Les valeurs optimales sont de 7 inclinaisons par orientation, une orientation de ±15° avec 6 cycles par pulsation. La précision de la reconstruction est comparable à l’échographie Doppler conventionnelle, tout en ayant une fréquence d’image 10 à 20 fois supérieure, permettant une meilleure caractérisation des transitions rapides qui requiert une résolution temporelle élevée.

Quantitative ultrasound imaging during shear wave propagation for application related to breast cancer diagnosis

Dans le contexte de la caractérisation des tissus mammaires, on peut se demander ce que l’examen d’un attribut en échographie quantitative (« quantitative ultrasound » - QUS) d’un milieu diffusant (tel un tissu biologique mou) pendant la propagation d’une onde de cisaillement ajoute à son pouvoir discriminant. Ce travail présente une étude du comportement variable temporel de trois paramètres statistiques (l’intensité moyenne, le paramètre de structure et le paramètre de regroupement des diffuseurs) d’un modèle général pour l’enveloppe écho de l’onde ultrasonore rétrodiffusée (c.-à-d., la K-distribution homodyne) sous la propagation des ondes de cisaillement. Des ondes de cisaillement transitoires ont été générés en utilisant la mèthode d’ imagerie de cisaillement supersonique ( «supersonic shear imaging » - SSI) dans trois fantômes in-vitro macroscopiquement homogènes imitant le sein avec des propriétés mécaniques différentes, et deux fantômes ex-vivo hétérogénes avec tumeurs de souris incluses dans un milieu environnant d’agargélatine. Une comparaison de l’étendue des trois paramètres de la K-distribution homodyne avec et sans propagation d’ondes de cisaillement a montré que les paramètres étaient significativement (p < 0,001) affectès par la propagation d’ondes de cisaillement dans les expériences in-vitro et ex-vivo. Les résultats ont également démontré que la plage dynamique des paramétres statistiques au cours de la propagation des ondes de cisaillement peut aider à discriminer (avec p < 0,001) les trois fantômes homogènes in-vitro les uns des autres, ainsi que les tumeurs de souris de leur milieu environnant dans les fantômes hétérogénes ex-vivo. De plus, un modéle de régression linéaire a été appliqué pour corréler la plage de l’intensité moyenne sous la propagation des ondes de cisaillement avec l’amplitude maximale de déplacement du « speckle » ultrasonore. La régression linéaire obtenue a été significative : fantômes in vitro : R2 = 0.98, p < 0,001 ; tumeurs ex-vivo : R2 = 0,56, p = 0,013 ; milieu environnant ex-vivo : R2 = 0,59, p = 0,009. En revanche, la régression linéaire n’a pas été aussi significative entre l’intensité moyenne sans propagation d’ondes de cisaillement et les propriétés mécaniques du milieu : fantômes in vitro : R2 = 0,07, p = 0,328, tumeurs ex-vivo : R2 = 0,55, p = 0,022 ; milieu environnant ex-vivo : R2 = 0,45, p = 0,047. Cette nouvelle approche peut fournir des informations supplémentaires à l’échographie quantitative statistique traditionnellement réalisée dans un cadre statique (c.-à-d., sans propagation d’ondes de cisaillement), par exemple, dans le contexte de l’imagerie ultrasonore en vue de la classification du cancer du sein.

Développement d'une nouvelle méthode de caractérisation tissulaire basée sur l'élastographie ultrasonore : application pour le dépistage précoce du cancer du sein

Le cancer du sein est le cancer le plus fréquent chez la femme. Il demeure la cause de mortalité la plus importante chez les femmes âgées entre 35 et 55 ans. Au Canada, plus de 20 000 nouveaux cas sont diagnostiqués chaque année. Les études scientifiques démontrent que l'espérance de vie est étroitement liée à la précocité du diagnostic. Les moyens de diagnostic actuels comme la mammographie, l'échographie et la biopsie comportent certaines limitations. Par exemple, la mammographie permet de diagnostiquer la présence d’une masse suspecte dans le sein, mais ne peut en déterminer la nature (bénigne ou maligne). Les techniques d’imagerie complémentaires comme l'échographie ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont alors utilisées en complément, mais elles sont limitées quant à la sensibilité et la spécificité de leur diagnostic, principalement chez les jeunes femmes (< 50 ans) ou celles ayant un parenchyme dense. Par conséquent, nombreuses sont celles qui doivent subir une biopsie alors que leur lésions sont bénignes. Quelques voies de recherche sont privilégiées depuis peu pour réduire l`incertitude du diagnostic par imagerie ultrasonore. Dans ce contexte, l’élastographie dynamique est prometteuse. Cette technique est inspirée du geste médical de palpation et est basée sur la détermination de la rigidité des tissus, sachant que les lésions en général sont plus rigides que le tissu sain environnant. Le principe de cette technique est de générer des ondes de cisaillement et d'en étudier la propagation de ces ondes afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu via un problème inverse préétabli. Cette thèse vise le développement d'une nouvelle méthode d'élastographie dynamique pour le dépistage précoce des lésions mammaires. L'un des principaux problèmes des techniques d'élastographie dynamiques en utilisant la force de radiation est la forte atténuation des ondes de cisaillement. Après quelques longueurs d'onde de propagation, les amplitudes de déplacement diminuent considérablement et leur suivi devient difficile voir impossible. Ce problème affecte grandement la caractérisation des tissus biologiques. En outre, ces techniques ne donnent que l'information sur l'élasticité tandis que des études récentes montrent que certaines lésions bénignes ont les mêmes élasticités que des lésions malignes ce qui affecte la spécificité de ces techniques et motive la quantification de d'autres paramètres mécaniques (e.g.la viscosité). Le premier objectif de cette thèse consiste à optimiser la pression de radiation acoustique afin de rehausser l'amplitude des déplacements générés. Pour ce faire, un modèle analytique de prédiction de la fréquence de génération de la force de radiation a été développé. Une fois validé in vitro, ce modèle a servi pour la prédiction des fréquences optimales pour la génération de la force de radiation dans d'autres expérimentations in vitro et ex vivo sur des échantillons de tissu mammaire obtenus après mastectomie totale. Dans la continuité de ces travaux, un prototype de sonde ultrasonore conçu pour la génération d'un type spécifique d'ondes de cisaillement appelé ''onde de torsion'' a été développé. Le but est d'utiliser la force de radiation optimisée afin de générer des ondes de cisaillement adaptatives, et de monter leur utilité dans l'amélioration de l'amplitude des déplacements. Contrairement aux techniques élastographiques classiques, ce prototype permet la génération des ondes de cisaillement selon des parcours adaptatifs (e.g. circulaire, elliptique,…etc.) dépendamment de la forme de la lésion. L’optimisation des dépôts énergétiques induit une meilleure réponse mécanique du tissu et améliore le rapport signal sur bruit pour une meilleure quantification des paramètres viscoélastiques. Il est aussi question de consolider davantage les travaux de recherches antérieurs par un appui expérimental, et de prouver que ce type particulier d'onde de torsion peut mettre en résonance des structures. Ce phénomène de résonance des structures permet de rehausser davantage le contraste de déplacement entre les masses suspectes et le milieu environnant pour une meilleure détection. Enfin, dans le cadre de la quantification des paramètres viscoélastiques des tissus, la dernière étape consiste à développer un modèle inverse basé sur la propagation des ondes de cisaillement adaptatives pour l'estimation des paramètres viscoélastiques. L'estimation des paramètres viscoélastiques se fait via la résolution d'un problème inverse intégré dans un modèle numérique éléments finis. La robustesse de ce modèle a été étudiée afin de déterminer ces limites d'utilisation. Les résultats obtenus par ce modèle sont comparés à d'autres résultats (mêmes échantillons) obtenus par des méthodes de référence (e.g. Rheospectris) afin d'estimer la précision de la méthode développée. La quantification des paramètres mécaniques des lésions permet d'améliorer la sensibilité et la spécificité du diagnostic. La caractérisation tissulaire permet aussi une meilleure identification du type de lésion (malin ou bénin) ainsi que son évolution. Cette technique aide grandement les cliniciens dans le choix et la planification d'une prise en charge adaptée.

Enhanced /3-adrenergic receptors in the brain and pancreas during pancreatic regeneration in weanling rats

Adrenergic stimulation has an inyortant role in the pancreatic It-cell proliferation and insulin secretion. In the present study. we have investigaled how sympathetic system mgulales the panrrealic n I rnerui nr ht an:ilyiing I'pinephi inn 1111 ), Norepinephrinc (NE) and /1-adrenergic receptor changes in the brain as (%eli is in the I swirls. Fill and NII showed a significant decrease in the brain regions, pancreas and plasma :rt 72Ius iller partial prurcrealectonty. We observed an increase in the circulating insulin levels at 72 hrs. Scatchard analysis using I CHI propranolol showed a significant increase in the number of loth the low affinity and high affinity t-adrenergic receplors in cerebral cortex and hypothalamus of partially pancreatectornised rats during peak DNA synthesis. The affinity of the receptors decrea,ed significantly in the low and high affinity receptors of cerebral cortex and the high affinity hypothalamic receptors. In file brain stein, low affinity receptors were increased significantly during regeneration whereas there was no change in the high affinity receptors. The pancreatic ff-adrenergic receptors were also up regulated at 72 firs after partial panerealectony. In vitro studies showed that /i-adrenergic receptors are positive regulators of islet cell proliferation and insulin secretion. Thus our results suggest that the t-adrenergic receptors are functionally enhanced during pancreatic regeneration, which in turn increases pancreatic ft-cell proliferation an(hilisulin secretion in wean hug rats.

PET-SWNT nanocomposites through ultrasound assisted dissolution-evaporation

Poly(ethylene terephthalate) (PET) based nanocomposites have been prepared with single walled carbon nanotubes (SWNTs) through an ultrasound assisted dissolution-evaporation method. Differential scanning calorimetry studies showed that SWNTs nucleate crystallization in PET at weight fractions as low as 0.3%, as the nanocomposite melt crystallized during cooling at temperature 24 °C higher than neat PET of identical molecular weight. Isothermal crystallization studies also revealed that SWNTs significantly accelerate the crystallization process. Mechanical properties of the PETSWNT nanocomposites improved as compared to neat PET indicating the effective reinforcement provided by nanotubes in the polymer matrix. Electrical conductivity measurements on the nanocomposite films showed that SWNTs at concentrations exceeding 1 wt% in the PET matrix result in electrical percolation. Comparison of crystallization, conductivity and transmission electron microscopy studies revealed that ultrasound assisted dissolution-evaporation method enables more effective dispersion of SWNTs in the PET matrix as compared to the melt compounding method

Dielecting-resonator-loaded microstrip antenna for enhanced impedance bandwidth and efficiency

A new method for enhancing the 2.1 VSWR impedance bandwidth of microstrip antennas is presented. Bandwidth enhancement is achieved by loading the microstrip antenna by a ceramic microwave dielectric resonator (DR). The validity of this technique has been established using rectangular and circular radiating geometries. This method improves the bandwidth of a rectangular microstrip antenna to more than 10% (= 5 times that of a conventional rectangular microstrip antenna) with an enhanced gain of I dB

Enhanced Bandwidth Microstrip Patch Antennas Loaded with High Permittivity Dielectric Resonators

A novel technique fitr the bat dividth enhancement of conventional rectangular microstrip antenna is proposed in this paper. When a high permittivity dielectric resonator of suitable resonant frequency was loaded over the patch. the % bandwidth of the antenna was increased by more than five tunes without much affecting its gain and radiation performance. A much more improved bandwidth was obtained when the dielectric resonator was placed on the feedline. Experimental study shows a 2:1 VSWR bandwidth of more than 10% and excellent cross polarization performance with increased pass band and radiation coverage abnost the same as that of rectangular microstrip antenna

Enhanced dopamine D2 receptor function in hypothalamus and corpus striatum: their role in liver, plasma and in vitro hepatocyte ALDH regulation in ethahol treated rats

Dopamine D2 receptors are involved in ethanol self- administration behavior and also suggested to mediate the onset and offset of ethanol drinking. In the present study, we investigated dopamine (DA) content and Dopamine D2 (DA D2) receptors in the hypothalamus and corpus striatum of ethanol treated rats and aldehyde dehydrogenase (ALDH) activity in the liver and plasma of ethanol treated rats and in vitro hepatocyte cultures. Hypothalamic and corpus striatal DA content decreased significantly (P\0.05, P\0.001 respectively) and homovanillic acid/ dopamine (HVA/DA) ratio increased significantly (P\0.001) in ethanol treated rats when compared to control. Scatchard analysis of [3H] YM-09151-2 binding to DA D2 receptors in hypothalamus showed a significant increase (P\0.001) in Bmax without any change in Kd in ethanol treated rats compared to control. The Kd of DA D2 receptors significantly decreased (P\0.05) in the corpus striatum of ethanol treated rats when compared to control. DA D2 receptor affinity in the hypothalamus and corpus striatum of control and ethanol treated rats fitted to a single site model with unity as Hill slope value. The in vitro studies on hepatocyte cultures showed that 10-5 M and 10-7 M DA can reverse the increased ALDH activity in 10% ethanol treated cells to near control level. Sulpiride, an antagonist of DA D2, reversed the effect of dopamine on 10% ethanol induced ALDH activity in hepatocytes. Our results showed a decreased dopamine concentration with enhanced DA D2 receptors in the hypothalamus and corpus striatum of ethanol treated rats. Also, increased ALDH was observed in the plasma and liver of ethanol treated rats and in vitro hepatocyte cultures with 10% ethanol as a compensatory mechanism for increased aldehyde production due to increased dopamine metabolism. A decrease in dopamine concentration in major brain regions is coupled with an increase in ALDH activity in liver and plasma, which contributes to the tendency for alcoholism. Since the administration of 10-5 M and 10-7 M DA can reverse the increased ALDH activity in ethanol treated cells to near control level, this has therapeutic application to correct ethanol addicts from addiction due to allergic reaction observed in aldehyde accumulation.

Luminescence tuning and enhanced nonlinear optical properties of nanocomposites of ZnO–TiO2

In this article we present the spectral and nonlinear optical properties of ZnO–TiO2 nanocomposites prepared by colloidal chemical synthesis. Emission peaks of ZnO–TiO2 nanocomposites change from 340 nm to 385 nm almost in proportion to changes in Eg. The nanocomposites show self-defocusing nonlinearity and good nonlinear absorption behaviour. The nonlinear refractive index and the nonlinear absorption increase with increasing TiO2 volume fraction at 532 nm and can be attributed to the enhancement of exciton oscillator strength. ZnO–TiO2 is a potential nanocomposite material for the tunable light emission and for the development of nonlinear optical devices with a relatively small limiting threshold

Enhanced pH and thermal stabilities of invertase immobilized on montmorillonite K-10

Invertase was adsorbed onto micro-porous acid-activated montmorillonite clay (K-10) by two procedures, namely adsorption and covalent binding. The immobilized enzymes were characterized by XRD, surface area measurements and 27Al NMR. XRD measurements revealed an expansion of clay layers due to immobilization which suggests that intercalation had taken place. Surface area measurements also support this observation. 27Al NMR showed that interaction of enzyme with tetrahedral and octahedral Al changes with the immobilization procedure. Sucrose hydrolysis was performed in a batch reactor. The immobilized enzymes showed enhanced pH and thermal stabilities. Optimum pH and temperature were found to increase upon immobilization. The effectiveness factor (η) and Michaelis constant (Km) suggest that diffusional resistances play a major role in the reaction. The immobilized invertase could be stored in buffer of pH 5 and 6 at 5 °C without any significant loss in activity for 20 days.

Enhanced luminescence and nonlinear optical properties of nanocomposites of ZnO–Cu

In this article, we present the spectral and nonlinear optical properties of ZnOCu nanocomposites prepared by colloidal chemical synthesis. The emission consisted of two peaks. The 385-nm ultraviolet (UV) peak is attributed to ZnO and the 550-nm visible peak is attributed to Cu nanocolloids. Obvious enhancement of UV and visible emission of the samples is observed and the strongest UV emission of a typical ZnOCu nanocomposite is over three times stronger than that of pure ZnO. Cu acts as a sensitizer and the enhancement of UV emission are caused by excitons formed at the interface between Cu and ZnO. As the volume fraction of Cu increases beyond a particular value, the intensity of the UV peak decreases while the intensity of the visible peak increases, and the strongest visible emission of a typical ZnOCu nanocomposite is over ten times stronger than that of pure Cu. The emission mechanism is discussed. Nonlinear optical response of these samples is studied using nanosecond laser pulses from a tunable laser in the wavelength range of 450650 nm, which includes the surface plasmon absorption (SPA) band. The nonlinear response is wavelength dependent and switching from reverse saturable absorption (RSA) to saturable absorption (SA) has been observed for Cu nanocolloids as the excitation wavelength changes from the low absorption window region to higher absorption regime near the SPA band. However, ZnO colloids and ZnOCu nanocomposites exhibit induced absorption at this wavelength. Such a changeover in the sign of the nonlinearity of ZnOCu nanocomposites, with respect to Cu nanocolloids, is related to the interplay of plasmon band bleach and optical limiting mechanisms. The SA again changes back to RSA when we move over to the infrared region. The ZnOCu nanocomposites show self-defocusing nonlinearity and good nonlinear absorption behavior. The nonlinear refractive index and the nonlinear absorption increases with increasing Cu volume fraction at 532 nm. The observed nonlinear absorption is explained through two-photon absorption followed by weak free-carrier absorption and interband absorption mechanisms. This study is important in identifying the spectral range and composition over which the nonlinear material acts as a RSA-based optical limiter. ZnOCu is a potential nanocomposite material for the light emission and for the development of nonlinear optical devices with a relatively small limiting threshold.

Studies on development of novel rare earth doped (Bi,Pb)-2212 superconductors with enhanced properties

The objective of the present work is to study the effect of rare-earth (RE) doping on the superconducting properties of (Bi,Pb)-2212 system and to develop novel superconductors in the system with improved properties, especially, the self- and in-field critical current densities so as to use them for practical applications. This dissertation describes a range of findings in Bi-based superconductor using the cationic substitution of rare earth (RE) elements. Most of the experiments reported here take advantage of the difference in the valency and ionic radii of dopant and doping site.

Enhanced shape anisotropy and magneto-optical birefringence by high energy ball milling in NixFe1−xFe2O4 ferrofluids

Ferrofluids belonging to the series NixFe1 xFe2O4 were synthesised by two different procedures—one by standard co-precipitation techniques, the other by co-precipitation for synthesis of particles and dispersion aided by high-energy ball milling with a view to understand the effect of strain and size anisotropy on the magneto-optical properties of ferrofluids. The birefringence measurements were carried out using a standard ellipsometer. The birefringence signal obtained for chemically synthesised samples was satisfactorily fitted to the standard second Langevin function. The ball-milled ferrofluids showed a deviation and their birefringence was enhanced by an order. This large enhancement in the birefringence value cannot be attributed to the increase in grain size of the samples, considering that the grain sizes of sample synthesised by both modes are comparable; instead, it can be attributed to the lattice strain-induced shape anisotropy(oblation) arising from the high-energy ball-milling process. Thus magnetic-optical (MO) signals can be tuned by ball-milling process, which can find potential applications.

Bioremediation of petroleum sludge through Phytoremediation.Land farming and Microbial enhanced oil separation

The objective of this research is to study the feasibility of bioremediating the oily sludge from a refinery site. Three different methods of waste treatment were tried i.e. phytoremediation, land farming and microbial enhanced oil separation in laboratory scale treatment systems. A multiprocess approach by combination of phytoremediation, biostimulation and microbial enhanced oil separation is also presented. The methods of analysis, experimental procedure, and results are incorporated into five chapters of this thesis entitled "Bioremediation of petroleum sludge through phytoremediation, land farming and microbial enhanced oil separation.

Enhanced electron-electron correlations in nanometric epitaxial SrRuO3 epitaxial films

Epitaxial and fully strained SrRuO3 thin films have been grown on SrTiO3(100). At initial stages the growth mode is three-dimensional- (3D-)like, leading to a finger-shaped structure aligned with the substrate steps and that eventually evolves into a 2D step-flow growth. We study the impact that the defect structure associated with this unique growth mode transition has on the electronic properties of the films. Detailed analysis of the transport properties of nanometric films reveals that microstructural disorder promotes a shortening of the carrier mean free path. Remarkably enough, at low temperatures, this results in a reinforcement of quantum corrections to the conductivity as predicted by recent models of disordered, strongly correlated electronic systems. This finding may provide a simple explanation for the commonly observed¿in conducting oxides-resistivity minima at low temperature. Simultaneously, the ferromagnetic transition occurring at about 140 K, becomes broader as film thickness decreases down to nanometric range. The relevance of these results for the understanding of the electronic properties of disordered electronic systems and for the technological applications of SrRuO3¿and other ferromagnetic and metallic oxides¿is stressed.