Viscoelasticity in Achilles Tendonopathy: Quantitative Assessment by Using Real-time Shear-Wave Elastography.

Purpose To investigate the differences in viscoelastic properties between normal and pathologic Achilles tendons ( AT Achilles tendon s) by using real-time shear-wave elastography ( SWE shear-wave elastography ). Materials and Methods The institutional review board approved this study, and written informed consent was obtained from 25 symptomatic patients and 80 volunteers. One hundred eighty ultrasonographic (US) and SWE shear-wave elastography studies of AT Achilles tendon s without tendonopathy and 30 studies of the middle portion of the AT Achilles tendon in patients with tendonopathy were assessed prospectively. Each study included data sets acquired at B-mode US (tendon morphology and cross-sectional area) and SWE shear-wave elastography (axial and sagittal mean velocity and relative anisotropic coefficient) for two passively mobilized ankle positions. The presence of AT Achilles tendon tears at B-mode US and signal-void areas at SWE shear-wave elastography were noted. Results Significantly lower mean velocity was shown in tendons with tendonopathy than in normal tendons in the relaxed position at axial SWE shear-wave elastography (P < .001) and in the stretched position at sagittal (P < .001) and axial (P = .0026) SWE shear-wave elastography . Tendon softening was a sign of tendonopathy in relaxed AT Achilles tendon s when the mean velocity was less than or equal to 4.06 m · sec(-1) at axial SWE shear-wave elastography (sensitivity, 54.2%; 95% confidence interval [ CI confidence interval ]: 32.8, 74.4; specificity, 91.5%; 95% CI confidence interval : 86.3, 95.1) and less than or equal to 5.70 m · sec(-1) at sagittal SWE shear-wave elastography (sensitivity, 41.7%; 95% CI confidence interval : 22.1, 63.3; specificity, 81.8%; 95% CI confidence interval : 75.3, 87.2) and in stretched AT Achilles tendon s, when the mean velocity was less than or equal to 4.86 m · sec(-1) at axial SWE shear-wave elastography (sensitivity, 66.7%; 95% CI confidence interval : 44.7, 84.3; specificity, 75.6%; 95% CI confidence interval : 68.5, 81.7) and less than or equal to 14.58 m · sec(-1) at sagittal SWE shear-wave elastography (sensitivity, 58.3%; 95% CI confidence interval : 36.7, 77.9; specificity, 83.5%; 95% CI confidence interval : 77.2, 88.7). Anisotropic results were not significantly different between normal and pathologic AT Achilles tendon s. Six of six (100%) partial-thickness tears appeared as signal-void areas at SWE shear-wave elastography . Conclusion Whether the AT Achilles tendon was relaxed or stretched, SWE shear-wave elastography helped to confirm and quantify pathologic tendon softening in patients with tendonopathy in the midportion of the AT Achilles tendon and did not reveal modifications of viscoelastic anisotropy in the tendon. Tendon softening assessed by using SWE shear-wave elastography appeared to be highly specific, but sensitivity was relatively low. © RSNA, 2014.

Stochastic generation of homogeneous isotropic turbulence with well-defined-spectra

A precise and simple computational model to generate well-behaved two-dimensional turbulent flows is presented. The whole approach rests on the use of stochastic differential equations and is general enough to reproduce a variety of energy spectra and spatiotemporal correlation functions. Analytical expressions for both the continuous and the discrete versions, together with simulation algorithms, are derived. Results for two relevant spectra, covering distinct ranges of wave numbers, are given.

Excitability transitions and wave dynamics under spatiotemporal structured noise

We present an analytic and numerical study of the effects of external fluctuations in active media. Our analytical methodology transforms the initial stochastic partial differential equations into an effective set of deterministic reaction-diffusion equations. As a result we are able to explain and make quantitative predictions on the systematic and constructive effects of the noise, for example, target patterns created out of noise and traveling or spiral waves sustained by noise. Our study includes the case of realistic noises with temporal and spatial structures.

Suppression of scroll wave turbulence by noise

Rotating scroll waves are dynamical spatiotemporal structures characteristic of three-dimensional active media. It is well known that, under low excitability conditions, scroll waves develop an intrinsically unstable dynamical regime that leads to a highly disorganized pattern of wave propagation. Such a ¿turbulent¿ state bears some resemblance to fibrillation states in cardiac tissue. We show here that this unstable regime can be controlled by using a spatially distributed random forcing superimposed on a control parameter of the system. Our results are obtained from numerical simulations but an explicit analytical argument that rationalizes our observations is also presented.

Wave competition in excitable modulated media.

The propagation of an initially planar front is studied within the framework of the photosensitive Belousov-Zhabotinsky reaction modulated by a smooth spatial variation of the local front velocity in the direction perpendicular to front propagation. Under this modulation, the wave front develops several fingers corresponding to the local maxima of the modulation function. After a transient, the wave front achieves a stationary shape that does not necessarily coincide with the one externally imposed by the modulation. Theoretical predictions for the selection criteria of fingers and steady-state velocity are experimentally validated.

Epithelial sodium channel/degenerin family of ion channels: a variety of functions for a shared structure.

The recently discovered epithelial sodium channel (ENaC)/degenerin (DEG) gene family encodes sodium channels involved in various cell functions in metazoans. Subfamilies found in invertebrates or mammals are functionally distinct. The degenerins in Caenorhabditis elegans participate in mechanotransduction in neuronal cells, FaNaC in snails is a ligand-gated channel activated by neuropeptides, and the Drosophila subfamily is expressed in gonads and neurons. In mammals, ENaC mediates Na+ transport in epithelia and is essential for sodium homeostasis. The ASIC genes encode proton-gated cation channels in both the central and peripheral nervous system that could be involved in pain transduction. This review summarizes the physiological roles of the different channels belonging to this family, their biophysical and pharmacological characteristics, and the emerging knowledge of their molecular structure. Although functionally different, the ENaC/DEG family members share functional domains that are involved in the control of channel activity and in the formation of the pore. The functional heterogeneity among the members of the ENaC/DEG channel family provides a unique opportunity to address the molecular basis of basic channel functions such as activation by ligands, mechanotransduction, ionic selectivity, or block by pharmacological ligands.

State-to-state reaction probabilities within the quantum transition state framework

Rigorous quantum dynamics calculations of reaction rates and initial state-selected reaction probabilities of polyatomic reactions can be efficiently performed within the quantum transition state concept employing flux correlation functions and wave packet propagation utilizing the multi-configurational time-dependent Hartree approach. Here, analytical formulas and a numerical scheme extending this approach to the calculation of state-to-state reaction probabilities are presented. The formulas derived facilitate the use of three different dividing surfaces: two dividing surfaces located in the product and reactant asymptotic region facilitate full state resolution while a third dividing surface placed in the transition state region can be used to define an additional flux operator. The eigenstates of the corresponding thermal flux operator then correspond to vibrational states of the activated complex. Transforming these states to reactant and product coordinates and propagating them into the respective asymptotic region, the full scattering matrix can be obtained. To illustrate the new approach, test calculations study the D + H2(ν, j) → HD(ν′, j′) + H reaction for J = 0.

Wave propagation in a medium with disordered excitability

The effect of quenched disorder on the propagation of autowaves in excitable media is studied both experimentally and numerically in relation to the light-sensitive Belousov-Zhabotinsky reaction. The spatial disorder is introduced through a random distribution with two different levels of transmittance. In one dimension the (time-averaged) wave speed is smaller than the corresponding to a homogeneous medium with the mean excitability. Contrarily, in two dimensions the velocity increases due to the roughening of the front. Results are interpreted using kinematic and scaling arguments. In particular, for d = 2 we verify a theoretical prediction of a power-law dependence for the relative change of the propagation speed on the disorder amplitude.

Regular wave propagation out of noise in chemical active media

A pacemaker, regularly emitting chemical waves, is created out of noise when an excitable photosensitive Belousov-Zhabotinsky medium, strictly unable to autonomously initiate autowaves, is forced with a spatiotemporal patterned random illumination. These experimental observations are also reproduced numerically by using a set of reaction-diffusion equations for an activator-inhibitor model, and further analytically interpreted in terms of genuine coupling effects arising from parametric fluctuations. Within the same framework we also address situations of noise-sustained propagation in subexcitable media.

Natural killer cell genes and functions after kidney transplantation

Natural Killer (NK) cells are of special interest in solid organ transplantation (SOT) because classical immunosuppressive drugs could enhance NK cells activity.We studied NK cells after kidney transplantation in three different situations. First, we analysed the peripheral repertoire reconstitution and function of NK cells after a polyclonal rabbit anti-thymocytes globulin (rATG) induction therapy, in 20 patients transplanted with living donor and with a low immunological risk. Second, we analysed the influence of KIR genes on the risk of CMV primo-infection or reactivation in 224 transplanted patients during the first year. Finally, we studied the risk of rejection and graft function during the first 5 years according to the KIR genes. Our study demonstrates that after an intial drop, NK cell reconstitution is fast with a ratio of CD56+/CD3− cells versus CD3+ cells that remains identical. The fraction of NK cells expressing the inhibitory receptor NKG2A significantly increases and the activating receptor NKG2D decreases after transplantation to retrieve the pretransplantation value after one year. The secretion of INF-f × and the cytotoxicity is maintained over time after transplantation. Then, we demonstrated that the presence of 2 KIR missing ligands and a large number of activating KIR gene protected against CMV primo-infection or reactivation during the first year post transplantation. Finally, the KIR genes and their HLA ligands do not influence the long term graft function after univariate and multivariate analysis. Our data suggest that despite the modification of the receptor repertoire, NK cell activity is preserved. NK cells are an important player of the immune response in the first year after transplantation mainly thanks to their anti-infectious activity.

Space and momentum representation analysis of Hartman's effect in wave packet transmission

The Hartman effect is analyzed in both the position and momentum representations of the problem. The importance of Wigner tunneling and deep tunneling is singled out. It is shown quantitatively how the barrier acts as a filter for low momenta (quantum speed up) as the width increases, and a detailed mechanism is proposed. Superluminal transmission is also discussed.

Constraints on the permeability structure of alluvial aquifers from the poro-elastic inversion of multi-frequency P-wave velocity logs

We have explored the possibility of obtaining first-order permeability estimates for saturated alluvial sediments based on the poro-elastic interpretation of the P-wave velocity dispersion inferred from sonic logs. Modern sonic logging tools designed for environmental and engineering applications allow one for P-wave velocity measurements at multiple emitter frequencies over a bandwidth covering 5 to 10 octaves. Methodological considerations indicate that, for saturated unconsolidated sediments in the silt to sand range and typical emitter frequencies ranging from approximately 1 to 30 kHz, the observable velocity dispersion should be sufficiently pronounced to allow one for reliable first-order estimations of the permeability structure. The corresponding predictions have been tested on and verified for a borehole penetrating a typical surficial alluvial aquifer. In addition to multifrequency sonic logs, a comprehensive suite of nuclear and electrical logs, an S-wave log, a litholog, and a limited number laboratory measurements of the permeability from retrieved core material were also available. This complementary information was found to be essential for parameterizing the poro-elastic inversion procedure and for assessing the uncertainty and internal consistency of corresponding permeability estimates. Our results indicate that the thus obtained permeability estimates are largely consistent with those expected based on the corresponding granulometric characteristics, as well as with the available evidence form laboratory measurements. These findings are also consistent with evidence from ocean acoustics, which indicate that, over a frequency range of several orders-of-magnitude, the classical theory of poro-elasticity is generally capable of explaining the observed P-wave velocity dispersion in medium- to fine-grained seabed sediments

Using spatially distributed parameters and multi-response objective functions to solve parameterization of complex applications of semi-distributed hydrological models

Application of semi-distributed hydrological models to large, heterogeneous watersheds deals with several problems. On one hand, the spatial and temporal variability in catchment features should be adequately represented in the model parameterization, while maintaining the model complexity in an acceptable level to take advantage of state-of-the-art calibration techniques. On the other hand, model complexity enhances uncertainty in adjusted model parameter values, therefore increasing uncertainty in the water routing across the watershed. This is critical for water quality applications, where not only streamflow, but also a reliable estimation of the surface versus subsurface contributions to the runoff is needed. In this study, we show how a regularized inversion procedure combined with a multiobjective function calibration strategy successfully solves the parameterization of a complex application of a water quality-oriented hydrological model. The final value of several optimized parameters showed significant and consistentdifferences across geological and landscape features. Although the number of optimized parameters was significantly increased by the spatial and temporal discretization of adjustable parameters, the uncertainty in water routing results remained at reasonable values. In addition, a stepwise numerical analysis showed that the effects on calibration performance due to inclusion of different data types in the objective function could be inextricably linked. Thus caution should be taken when adding or removing data from an aggregated objective function.

Pulse wave amplitude drops during sleep are reliable surrogate markers of changes in cortical activity

Rapport de synthèseLe syndrome d'apnées obstructives du sommeil (SAOS) est une pathologie respiratoire fréquente. Sa prévalence est estimée entre 2 et 5% de la population adulte générale. Ses conséquences sont importantes. Notamment, une somnolence diurne, des troubles de la concentration, des troubles de la mémoire et une augmentation du risque d'accident de la route et du travail. Il représente également un facteur de risque cardiovasculaire indépendant.Ce syndrome est caractérisé par la survenue durant le sommeil d'obstructions répétées des voies aériennes supérieures. L'arrêt ou la diminution d'apport en oxygène vers les poumons entraîne des épisodes de diminution de la saturation en oxygène de l'hémoglobine. Les efforts ventilatoires visant à lever l'obstacle présent sur les voies aériennes causent de fréquents réveils à l'origine d'une fragmentation du sommeil.La polysomnographie (PSG) représente le moyen diagnostic de choix. Il consiste en l'enregistrement dans un laboratoire du sommeil et en présence d'un technicien diplômé, du tracé électroencéphalographique (EEG), de l'électrooculogramme (EOG), de l'électromyogramme mentonnier (EMG), du flux respiratoire nasal, de l'oxymétrie de pouls, de la fréquence cardiaque, de l'électrocardiogramme (ECG), des mouvements thoraciques et abdominaux, de la position du corps et des mouvements des jambes. L'examen est filmé par caméra infrarouge et les sons sont enregistrés.Cet examen permet entre autres mesures, de déterminer les événements respiratoires obstructifs nécessaires au diagnostic de syndrome d'apnée du sommeil. On définit une apnée lors d'arrêt complet du débit aérien durant au moins 10 secondes et une hypopnée en cas, soit de diminution franche de l'amplitude du flux respiratoire supérieure à 50% durant au moins 10 secondes, soit de diminution significative (20%) de l'amplitude du flux respiratoire pendant au minimum 10 secondes associée à un micro-éveil ou à une désaturation d'au moins 3% par rapport à la ligne de base. La détection des micro-éveils se fait en utilisant les dérivations électroencéphalographiques, électromyographiques et électrooculographiques. Il existe des critères visuels de reconnaissance de ces éveils transitoire: apparition de rythme alpha (8.1 à 12.0 Hz) ou beta (16 à 30 Hz) d'une durée supérieure à 3 secondes [20-21].Le diagnostic de S AOS est retenu si l'on retrouve plus de 5 événements respiratoires obstructifs par heure de sommeil associés soit à une somnolence diurne évaluée selon le score d'Epworth ou à au moins 2 symptômes parmi les suivants: sommeil non réparateur, étouffements nocturne, éveils multiples, fatigue, troubles de la concentration. Le S AOS est gradué en fonction du nombre d'événements obstructifs par heure de sommeil en léger (5 à 15), modéré (15 à 30) et sévère (>30).La polysomnographie (PSG) comporte plusieurs inconvénients pratiques. En effet, elle doit être réalisée dans un laboratoire du sommeil avec la présence permanente d'un technicien, limitant ainsi son accessibilité et entraînant des délais diagnostiques et thérapeutiques. Pour ces mêmes raisons, il s'agit d'un examen onéreux.La polygraphie respiratoire (PG) représente l'alternative diagnostique au gold standard qu'est l'examen polysomnographique. Cet examen consiste en l'enregistrement en ambulatoire, à savoir au domicile du patient, du flux nasalrespiratoire, de l'oxymétrie de pouls, de la fréquence cardiaque, de la position du corps et du ronflement (par mesure de pression).En raison de sa sensibilité et sa spécificité moindre, la PG reste recommandée uniquement en cas de forte probabilité de SAOS. Il existe deux raisons principales à l'origine de la moindre sensibilité de l'examen polygraphique. D'une part, du fait que l'état de veille ou de sommeil n'est pas déterminé avec précision, il y a dilution des événements respiratoires sur l'ensemble de l'enregistrement et non sur la période de sommeil uniquement. D'autre part, en l'absence de tracé EEG, la quantification des micro-éveils est impossible. Il n'est donc pas possible dans l'examen poly graphique, de reconnaître une hypopnée en cas de diminution de flux respiratoire de 20 à 50% non associée à un épisode de désaturation de l'hémoglobine de 3% au moins. Alors que dans l'examen polysomnographique, une telle diminution du flux respiratoire pourrait être associée à un micro-éveil et ainsi comptabilisée en tant qu'hypopnée.De ce constat est né la volonté de trouver un équivalent de micro-éveil en polygraphie, en utilisant les signaux à disposition, afin d'augmenter la sensibilité de l'examen polygraphique.Or plusieurs études ont démontrés que les micro-éveils sont associés à des réactions du système nerveux autonome. Lors des micro-éveils, on met en évidence la survenue d'une vasoconstriction périphérique. La variation du tonus sympathique associée aux micro-éveils peut être mesurée par différentes méthodes. Les variations de l'amplitude de l'onde de pouls mesurée par pulsoxymétrie représentant un marqueur fiable de la vasoconstriction périphérique associée aux micro-réveils, il paraît donc opportun d'utiliser ce marqueur autonomique disponible sur le tracé des polygraphies ambulatoires afin de renforcer la sensibilité de cet examen.Le but de l'étude est d'évaluer la sensibilité des variations de l'amplitude de l'onde de pouls pour détecter des micro-réveils corticaux afin de trouver un moyen d'augmenter la sensibilité de l'examen polygraphique et de renforcer ainsi sont pouvoir diagnostic.L'objectif est de démontrer qu'une diminution significative de l'amplitude de l'onde pouls est concomitante à une activation corticale correspondant à un micro¬réveil. Cette constatation pourrait permettre de déterminer une hypopnée, en polygraphie, par une diminution de 20 à 50% du flux respiratoire sans désaturation de 3% mais associée à une baisse significative de l'amplitude de pouls en postulant que l'événement respiratoire a entraîné un micro-réveil. On retrouve par cette méthode les mêmes critères de scoring d'événements respiratoires en polygraphie et en polysomnographie, et l'on renforce la sensibilité de la polygraphie par rapport au gold standard polysomnographique.La méthode consiste à montrer en polysomnographie qu'une diminution significative de l'amplitude de l'onde de pouls mesurée par pulsoxymétrie est associée à une activation du signal électroencéphalographique, en réalisant une analyse spectrale du tracé EEG lors des baisses d'amplitude du signal d'onde de pouls.Pour ce faire nous avons réalisé une étude rétrospective sur plus de 1000 diminutions de l'amplitude de l'onde de pouls sur les tracés de 10 sujets choisis de manière aléatoire parmi les patients référés dans notre centre du sommeil (CIRS) pour suspicion de trouble respiratoire du sommeil avec somnolence ou symptomatologie diurne.Les enregistrements nocturnes ont été effectués de manière standard dans des chambres individuelles en utilisant le système d'acquisition Embla avec l'ensemble des capteurs habituels. Les données ont été par la suite visuellement analysées et mesurées en utilisant le software Somnologica version 5.1, qui fournit un signal de l'amplitude de l'onde de pouls (puise wave amplitude - PWA).Dans un premier temps, un technicien du sommeil a réalisé une analyse visuelle du tracé EEG, en l'absence des données du signal d'amplitude d'onde de pouls. Il a déterminé les phases d'éveil et de sommeil, les stades du sommeil et les micro¬éveils selon les critères standards. Les micro-éveils sont définis lors d'un changement abrupt dans la fréquence de l'EEG avec un pattern d'ondes thêta-alpha et/ou une fréquence supérieure à 16 Hz (en l'absence de fuseau) d'une durée d'au minimum trois secondes. Si cette durée excède quinze secondes, l'événement correspond à un réveil.Puis, deux investigateurs ont analysé le signal d'amplitude d'onde de pouls, en masquant les données du tracé EEG qui inclut les micro-éveils. L'amplitude d'onde de pouls est calculée comme la différence de valeur entre le zénith et le nadir de l'onde pour chaque cycle cardiaque. Pour chaque baisse de l'amplitude d'onde de pouls, la plus grande et la plus petite amplitude sont déterminées et le pourcentage de baisse est calculé comme le rapport entre ces deux amplitudes. On retient de manière arbitraire une baisse d'au moins 20% comme étant significative. Cette limite a été choisie pour des raisons pratiques et cliniques, dès lors qu'elle représentait, à notre sens, la baisse minimale identifiable à l'inspection visuelle. Chaque baisse de PWA retenue est divisée en 5 périodes contiguës de cinq secondes chacune. Deux avant, une pendant et deux après la baisse de PWA.Pour chaque période de cinq secondes, on a pratiqué une analyse spectrale du tracé EEG correspondant. Le canal EEG C4-A1 est analysé en utilisant la transformée rapide de Fourier (FFT) pour chaque baisse de PWA et pour chaque période de cinq secondes avec une résolution de 0.2 Hz. La distribution spectrale est catégorisée dans chaque bande de fréquence: delta (0.5 à 4.0 Hz); thêta (4.1 à 8.0Hz); alpha (8.1 à 12.0 Hz); sigma (12.1 à 16 Hz) et beta (16.1 à 30.0 Hz). La densité de puissance (power density, en μΥ2 ) pour chaque bande de fréquence a été calculée et normalisée en tant que pourcentage de la puissance totale. On a déterminé, ensuite, la différence de densité de puissance entre les 5 périodes par ANOVA on the rank. Un test post hoc Tukey est été utilisé pour déterminer si les différences de densité de puissance étaient significatives. Les calculs ont été effectués à l'aide du software Sigmastat version 3.0 (Systat Software San Jose, California, USA).Le principal résultat obtenu dans cette étude est d'avoir montré une augmentation significative de la densité de puissance de l'EEG pour toutes les bandes de fréquence durant la baisse de l'amplitude de l'onde de pouls par rapport à la période avant et après la baisse. Cette augmentation est par ailleurs retrouvée dans la plupart des bande de fréquence en l'absence de micro-réveil visuellement identifié.Ce résultat témoigné donc d'une activation corticale significative associée à la diminution de l'onde de pouls. Ce résulat pourrait permettre d'utiliser les variations de l'onde de pouls dans les tracés de polygraphie comme marqueur d'une activation corticale. Cependant on peut dire que ce marqueur est plus sensible que l'analyse visuelle du tracé EEG par un technicien puisque qu'on notait une augmentation de lactivité corticale y compris en l'absence de micro-réveil visuellement identifié. L'application pratique de ces résultats nécessite donc une étude prospective complémentaire.