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.

Localisation du langage et de la mémoire verbale en magnétoencéphalographie

Dans le cadre de l’évaluation pré-chirurgicale de patients épileptiques, il est impératif de déterminer la spécialisation hémisphérique du langage, ainsi que de localiser les aires du langage au sein de cet hémisphère. De nouvelles méthodes d’évaluation non- invasives doivent être mises au point afin de diminuer les risques associés aux méthodes plus invasives telles que le test à l’amobarbital intracarotidien (TAI). L’objectif principal de cette thèse est donc de développer un protocole d’évaluation pré-chirurgicale alternatif et non-invasif à l’aide de la magnétoencéphalographie (MEG) pour la latéralisation et la localisation du langage, incluant la mémoire verbale qui serait éventuellement accessible à une population pédiatrique francophone épileptique. L’article 1 présente une recension de la littérature résumant les différentes études en MEG ayant pour objectif l’évaluation pré-chirurgicale du langage. Trente-sept articles en MEG ont été analysés pour déterminer quelles tâches permettaient d’obtenir les meilleurs résultats de latéralisation intrahémisphérique et de localisation du langage pour l’évaluation du langage réceptif et expressif chez des sujets neurologiquement sains et épileptiques. Parmi les tests retenus, l’épreuve de reconnaissance de mots permet d’évaluer le langage réceptif et la mémoire verbale, tandis que des épreuves de fluence verbale telles que la génération de verbes permettent d’évaluer le langage expressif de façon à obtenir de très bons résultats. L’article 2 a permis de valider un protocole auprès de sujets neurologiquement sains à l’aide des épreuves identifiées dans l’article 1. Le protocole utilisé comprend une tâche de langage réceptif et de mémoire verbale (une épreuve de reconnaissance de mots) et une tâche de langage expressif (une épreuve de fluence verbale). Suite à la validation du protocole à l’aide d’analyses par composantes principales, les épreuves ont été administrées à un groupe de patients épileptiques. Les index de latéralité et les analyses de sources i révèlent que la MEG permet de localiser et de latéraliser les fonctions langagières et pourrait donc être utilisée comme méthode d'évaluation du langage lors de l'évaluation pré- chirurgicale auprès de patients épileptiques. Toutefois, alors que l’épreuve de mémoire verbale a permis d’obtenir les meilleurs résultats auprès de l’ensemble des participants, l’épreuve de fluence verbale n’a fourni des informations supplémentaires que chez un seul patient et chez aucun participant neurologiquement sain. En résumé, les deux articles de cette thèse démontrent le potentiel clinique de la MEG pour l’évaluation pré-chirurgicale de patients souffrant d’une épilepsie réfractaire.

Utilisation d’agrafes chirurgicales dans le suivi de tumeurs hépatiques appliquée à des traitements de radiochirurgie stéréotaxique par CyberKnife

Des avancements récents dans le domaine de la radiothérapie stéréotaxique permettent à un nombre grandissant de patients de recevoir un traitement non-invasif pour le cancer du foie. L’une des méthodes utilisées consiste à suivre le mouvement de la tumeur à l’aide de marqueurs radio-opaques insérés dans le foie grâce au système de suivi de l’appareil de traitement CyberKnife. Or, l’insertion de ces marqueurs est parfois trop invasive pour certains patients souffrant de maladie du foie avancée. Ces patients ont souvent un historique de chirurgie qui permet d’utiliser les agrafes chirurgicales déjà présentes dans leur foie dans le but de suivre leur tumeur. Cette nouvelle approche au traitement des tumeurs du foie est investiguée dans cette étude afin d’en déterminer les paramètres optimaux pour une meilleure pratique thérapeutique. L’expérimentation sur fantôme anthropomorpique a permis de conclure que le contraste des agrafes dans leur milieu augmente lors de l’augmentation des paramètres d’imagerie (kilovoltage et milliampérage de l’appareil de radiographie). D’autre part, l’erreur commise par le système CyberKnife dans l’identification des agrafes pour le suivi a été mesurée comme étant supérieure à celle sur l’emplacement des marqueurs radiologiques de platine (environ 1 mm contre moins de 1 mm). Cette erreur est considérée comme acceptable dans le contexte de ce type de traitement particulier. Enfin, une analyse gamma de l’impact dosimétrique du suivi par agrafes a montré qu’il était approximativement équivalent à celui par marqueurs de platine. De ces observations on conclue que le traitement des tumeurs du foie avec suivi des agrafes chirurgicales est valide et peut être amélioré suivant certaines recommandations cliniques.

Modélisation de l’activité électrique des oreillettes avant et après ablation par cathéter

- Réalisé au centre de recherche de l'hospital du Sacré-Coeur de Montréal. - Programme conjoint entre Université de Montréal et École Polytechnique de Montréal.

Scoliosis curve type classification from 3D trunk image

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a deformity of the spine manifested by asymmetry and deformities of the external surface of the trunk. Classification of scoliosis deformities according to curve type is used to plan management of scoliosis patients. Currently, scoliosis curve type is determined based on X-ray exam. However, cumulative exposure to X-rays radiation significantly increases the risk for certain cancer. In this paper, we propose a robust system that can classify the scoliosis curve type from non invasive acquisition of 3D trunk surface of the patients. The 3D image of the trunk is divided into patches and local geometric descriptors characterizing the surface of the back are computed from each patch and forming the features. We perform the reduction of the dimensionality by using Principal Component Analysis and 53 components were retained. In this work a multi-class classifier is built with Least-squares support vector machine (LS-SVM) which is a kernel classifier. For this study, a new kernel was designed in order to achieve a robust classifier in comparison with polynomial and Gaussian kernel. The proposed system was validated using data of 103 patients with different scoliosis curve types diagnosed and classified by an orthopedic surgeon from the X-ray images. The average rate of successful classification was 93.3% with a better rate of prediction for the major thoracic and lumbar/thoracolumbar types.

Evaluation of Reducibility of Trunk Asymmetry in Lateral Bending

The value of the lateral bending test is important in the assessment of spinal curve mobility and prediction of surgical outcome in the treatment of adolescent idiopathic scoliosis (AIS). However, radiographic bending tests are unable to assess the reducibility of trunk asymmetry. This study aims to exploit surface topography measurement in order to evaluate the changes in shape of the trunk (a) between bending and neutral standing positions, and (b) between standing pre- and post-operative visits, in a cohort of adolescents with AIS having undergone surgical correction; and to correlate the differences measured in cases (a) and (b). Our cohort includes 13 patients with right thoracic AIS. Each patient had their 3D trunk surface digitized with a multi-head InSpeck system in standing posture (at the pre-op and post-op visits) and in maximum voluntary right and left bending (at the pre-op visit). We developed a novel trunk shape analysis method which produces a set of inclined trunk cross-sections allowing comparison between different postures. Two asymmetry indices, trunk rotation (TR) and back surface rotation (BSR), were computed in all cases and a statistical analysis was performed. Our correlation study (Pearson test) showed fair correlations in most cases between the changes in side-bending and those post-surgery, with the strongest relationship (p-value < 0.01) when combining the TR measurements from both bendings. These results provide evidence that the bending test can be used to assess trunk asymmetry reducibility. The proposed approach could provide a non-invasive trunk asymmetry reducibility test for routine clinical use in AIS surgery planning.

Noninvasive Clinical Assessment of Trunk Deformities Associated With Scoliosis

Besides the spinal deformity, scoliosis modifies notably the general appearance of the trunk resulting in trunk rotation, imbalance, and asymmetries that constitutes patients' major concern. Existing classifications of scoliosis, based on the type of spinal curve as depicted on radiographs, are currently used to guide treatment strategies. Unfortunately, even though a perfect correction of the spinal curve is achieved, some trunk deformities remain, making patients dissatisfied with the treatment received. The purpose of this study is to identify possible shape patterns of trunk surface deformity associated with scoliosis. First, trunk surface is represented by a multivariate functional trunk shape descriptor based on 3-D clinical measurements computed on cross sections of the trunk. Then, the classical formulation of hierarchical clustering is adapted to the case of multivariate functional data and applied to a set of 236 trunk surface 3-D reconstructions. The highest internal validity is obtained when considering 11 clusters that explain up to 65% of the variance in our dataset. Our clustering result shows a concordance with the radiographic classification of spinal curves in 68% of the cases. As opposed to radiographic evaluation, the trunk descriptor is 3-D and its functional nature offers a compact and elegant description of not only the type, but also the severity and extent of the trunk surface deformity along the trunk length. In future work, new management strategies based on the resulting trunk shape patterns could be thought of in order to improve the esthetic outcome after treatment, and thus patients satisfaction.

Prediction of scoliosis curve type based on the analysis of trunk surface topography

Scoliosis treatment strategy is generally chosen according to the severity and type of the spinal curve. Currently, the curve type is determined from X-rays whose acquisition can be harmful for the patient. We propose in this paper a system that can predict the scoliosis curve type based on the analysis of the surface of the trunk. The latter is acquired and reconstructed in 3D using a non invasive multi-head digitizing system. The deformity is described by the back surface rotation, measured on several cross-sections of the trunk. A classifier composed of three support vector machines was trained and tested using the data of 97 patients with scoliosis. A prediction rate of 72.2% was obtained, showing that the use of the trunk surface for a high-level scoliosis classification is feasible and promising.

Development of active microwave imaging techniques for applications in mammography

Breast cancer is the most common non - skin malignancy in women and a leading cause of female morality. A potentially important strategy for reducing this menace is the detection at an early stage . The invention of non-invasive and non-ionizing microwave technique, to reveal the internal structure of biological objects was a break through in the field of medical diagnostics. Electrical properties of biological tissues and their interaction with electromagmetic waves have direct impact on human life. This thesis focuses on theoretical and experimental investigations of active microwave imaging techniques for breast cancer detection.

Automatic Detection and Classification of Glioma Tumors using Statistical Features

The characterization and grading of glioma tumors, via image derived features, for diagnosis, prognosis, and treatment response has been an active research area in medical image computing. This paper presents a novel method for automatic detection and classification of glioma from conventional T2 weighted MR images. Automatic detection of the tumor was established using newly developed method called Adaptive Gray level Algebraic set Segmentation Algorithm (AGASA).Statistical Features were extracted from the detected tumor texture using first order statistics and gray level co-occurrence matrix (GLCM) based second order statistical methods. Statistical significance of the features was determined by t-test and its corresponding p-value. A decision system was developed for the grade detection of glioma using these selected features and its p-value. The detection performance of the decision system was validated using the receiver operating characteristic (ROC) curve. The diagnosis and grading of glioma using this non-invasive method can contribute promising results in medical image computing

Catalysis by Enzymes immobilized on Tuned Mesoporous Silica

Mesoporous silica nanoparticles provide a non-invasive and biocompatible delivery platform for a broad range of applications in therapeutics, pharmaceuticals and diagnosis. Additionally, mesoporous silica materials can be synthesized together with other nanomaterials to create new nanocomposites, opening up a wide variety of potential applications. The ready functionalization of silica materials makes them ideal candidates for bioapplications and catalysis. These properties of mesoporous silica like high surface areas, large pore volumes and ordered pore networks allow them for higher loading of drugs or biomolecules. Comparative studies have been made to evaluate the different procedures; much of the research to date has involved quick exploration of new methods and supports. Requirements for different enzymes may vary, and specific conditions may be needed for a particular application of an immobilized enzyme such as a highly rigid support. In this endeavor, mesoporous silica materials having different pore size were synthesized and easily modified with active functional groups and were evaluated for the immobilization of enzymes. In this work, Aspergillus niger glucoamylase, Bovine liver catalase, Candida rugosa lipase were immobilized onto support by adsorption and covalent binding. The structural properties of pure and immobilized supports are analyzed by various characterization techniques and are used for different reactions of industrial applications.

Einfluss der Führung des Trocknungsprozesses auf den Trocknungsverlauf und die Produkteigenschaften empfindlicher biologischer Güter

Die Konvektionstrocknung ist eine der ältesten Methoden zur Konservierung von Lebensmitteln. Es ist bekannt, dass Agrarprodukte temperaturempfindlich sind. Bei Überhitzung erleiden sie chemische und physikalische Veränderungen, die ihre Qualität vermindern. In der industriellen Praxis wird die Konvektionstrocknung in der Regel auf Grundlage empirisch ermittelter Werte durchgeführt, welche die Produkttemperatur nicht berücksichtigen. Es ist deshalb nicht sichergestellt, ob der Prozess optimal oder auch nur gut betrieben wird. Inhalt dieser Arbeit ist ein Vergleich der klassischen einstufigen Konvektionstrocknung mit einer Prozessführungsstrategie bei der die Produkttemperatur als Regelgröße eingeführt wird. Anhand der Untersuchung des Trocknungsverhaltens von Äpfeln werden die beiden Verfahren analysiert, die erhaltenen Ergebnisse miteinander verglichen und daraus optimierte Trocknungsbedingungen abgeleitet. Die für dieses Projekt entwickelte Prozessanlage erlaubt die simultane Untersuchung sämtlicher wesentlicher Temperaturen, der Gewichtsveränderung und der optischen Qualitätskriterien. Gleichzeitig ist es möglich, entweder die Lufttemperatur oder die Temperatur des Produktes zur regeln, während die jeweils andere Größe als Messwert erfasst wird. Es kann weiterhin zwischen Durch- und Überströmung gewählt werden.

Study on Granular Dynamics in Vertically Vibrated Beds using Tracking Technique

The study of granular material is of great interest to many researchers in both engineering and science communities. The importance of such a study derives from its complex rheological character and also its significant role in a wide range of industrial applications, such as coal, food, plastics, pharmaceutical, powder metallurgy and mineral processing. A number of recent reports have been focused on the physics of non-cohesive granular material submitted to vertical vibration in either experimental or theoretical approaches. Such a kind of system can be used to separate, mix and dry granular materials in industries. It exhibits different instability behaviour on its surface when under vertical vibration, for example, avalanching, surface fluidization and surface wave, and these phenomena have attracted particular interest of many researchers. However, its fundamental understanding of the instability mechanism is not yet well-understood. This paper is therefore to study the dynamics of granular motion in such a kind of system using Positron Emission Particle Tracking (PEPT), which allows the motion of a single tracer particle to be followed in a non-invasive way. Features of the solids motion such as cycle frequency and dispersion index were investigated via means of authors’ specially-written programmes. Regardless of the surface behaviour, particles are found to travel in rotational movement in horizontal plane. Particle cycle frequency is found to increase strongly with increasing vibration amplitude. Particle dispersion also increased strongly with vibration amplitude. Horizontal dispersion is observed to always exceed vertical dispersion.

Utilidad de la patología placentaria en el diagnóstico de sepsis temprana en recién nacidos pretermino

Antecedentes : la incidencia de sepsis neonatal tempana en prematuros es del 40% en nuestro medio, con mortalidad entre el 15-50% de los casos, el cual aumenta exponencialmente con la prematurez y se relaciona con secuelas neurológicas y pulmonares. Hasta la fecha no se han dado conclusiones definitivas en cuanto a la mejor prueba diagnóstica en este tópico, por lo anterior es de vital importancia encontrar el mejor método para su detección precoz. Objetivo: evaluar la utilidad de la histopatología placentaria en el diagnóstico de sepsis neonatal temprana de los recién nacidos menores de 36 semanas de edad gestacional, de la Fundación Santa Fe de Bogotá. Metodología: estudio de prueba diagnóstica donde se describieron los resultados obtenidos del análisis de la histopatología placentaria de los recién nacidos pretermino con sospecha de sepsis temprana comparados con el diagnostico de sepsis temprana probada. Resultados : se analizaron 114 pacientes con factores de riesgo para sepsis temprana de los cuales 74 tuvieron diagnóstico de sepsis probable confirmándose en cinco casos, encontrándose así para la histopatología placentaria sensibilidad del 100% IC 95% (90%-100%), especificidad 78.9% (IC 95% 70.7-87.0), índice de validez 79.8% (IC 95% 72%-87.6%), VPP 17.7 (IC 95%: 1.89%-33.8%) y VPN 100% (IC:98.7%-100%). Conclusión La corioamnionitis histológica es un biomarcador relevante en el diagnóstico oportuno de sepsis temprana probada en recién nacidos pretermino, ofreciendo una opción de ayuda diagnostica, no invasiva, con resultados definitivos en 24 horas.

Retinoscopía estática: variabilidad interobservadores entre docentes y estudiantes de optometría en una institución universitaria de Bogotá D.C.

Introducción: el gold estándar para el error refractivo es la retinoscopía. Los docentes de optometría al evaluar estudiantes, aceptan una diferencia de ±0,50D en la refracción pero no se ha evaluado estadísticamente si es adecuado para ametropías bajas y altas. El objetivo fue cuantificar el grado de concordancia interobservadores en retinoscopía estática entre docentes y estudiantes, para ametropías altas y bajas. Metodología: estudio de concordancia entre 4 observadores en 40 ojos, 20 con ametropías altas y 20 con bajas; muestreo no probabilístico por conveniencia. Análisis estadístico con coeficiente de correlación intraclase, confiabilidad 95%, poder 90%, y con método gráfico de límites de acuerdo al 95%. Resultados: concordancia para el equivalente esférico entre docentes 0,96 y entre estudiantes 0,56. En estudiantes concordancia de 0,89 para defectos refractivos bajos y docentes 0,96 para defectos altos. Concordancia entre cuatro examinadores 0,78, defectos bajos 0,86 y para altos 0,67. Margen de error entre docentes ±0,87D y estudiantes ±3,15D. En defectos bajos ±0,61D para docentes y ±0,80D para estudiantes y en defectos altos ±1,10D y ±4,22D respectivamente. Discusión: hubo mayor confiabilidad en retinoscopía entre profesionales experimentados. Se comparó la concordancia entre docentes y estudiantes, por eso puede haberse encontrado menor concordancia que la descrita por otros estudios que compararon entre profesionales a pesar haber sido elegidos por sus buenas calificaciones. Se deben formular estrategias de enseñanza que permitan reducir los márgenes de error obtenidos y mejorar la concordancia entre docentes y estudiantes.