Three-dimensional supersonic flow over a spike-nosed body of revolution

The unsteady, viscous, supersonic flow over a spike-nosed body of revolution is numerically investigated by solving the Navier-Stokes equations. The time-accurate computations are performed employing an implicit algorithm based on the second-order time-accurate LU-SGS scheme with the incorporation of a subiteration procedure to maintain time accuracy. The characteristics of the flow field for a Mach number of 3.0, Reynolds number of 7.87 x 10(6)/m, and angles of attack of 5 and 10 degrees are described. Self-sustained asymmetric shock wave oscillations were observed in the numerical computations for these angles of attack. The main characteristic of the flow field, as well as its influence on drag coefficient is discussed.

Three-dimensional conformal breast irradiation in the prone position

The prone position can be used for the planning of adjuvant radiotherapy after conservative breast surgery in order to deliver less irradiation to lung and cardiac tissue. In the present study, we compared the results of three-dimensional conformal radiotherapy planning for five patients irradiated in the supine and prone position. Tumor stage was T1N0M0 in four patients and T1N1M0 in one. All patients had been previously submitted to conservative breast surgery. Breast size was large in three patients and moderate in the other two. Irradiation in the prone position was performed using an immobilization foam pad with a hole cut into it to accommodate the breast so that it would hang down away from the chest wall. Dose-volume histograms showed that mean irradiation doses reaching the ipsilateral lung were 8.3 ± 3.6 Gy with the patient in the supine position and 1.4 ± 1.0 Gy with the patient in the prone position (P = 0.043). The values for the contralateral lung were 1.3 ± 0.7 and 0.3 ± 0.1 Gy (P = 0.043) and the values for cardiac tissue were 4.6 ± 1.6 and 3.0 ± 1.7 Gy (P = 0.079), respectively. Thus, the dose-volume histograms demonstrated that lung tissue irradiation was significantly lower with the patient in the prone position than in the supine position. Large-breasted women appeared to benefit most from irradiation in the prone position. Prone position breast irradiation appears to be a simple and effective alternative to the conventional supine position for patients with large breasts, since they are subjected to lower pulmonary doses which may cause less pulmonary side effects in the future.

Multicellular spheroids of bone marrow stromal cells: a three-dimensional in vitro culture system for the study of hematopoietic cell migration

Cell fate decisions are governed by a complex interplay between cell-autonomous signals and stimuli from the surrounding tissue. In vivo cells are connected to their neighbors and to the extracellular matrix forming a complex three-dimensional (3-D) microenvironment that is not reproduced in conventional in vitro systems. A large body of evidence indicates that mechanical tension applied to the cytoskeleton controls cell proliferation, differentiation and migration, suggesting that 3-D in vitro culture systems that mimic the in vivo situation would reveal biological subtleties. In hematopoietic tissues, the microenvironment plays a crucial role in stem and progenitor cell survival, differentiation, proliferation, and migration. In adults, hematopoiesis takes place inside the bone marrow cavity where hematopoietic cells are intimately associated with a specialized three 3-D scaffold of stromal cell surfaces and extracellular matrix that comprise specific niches. The relationship between hematopoietic cells and their niches is highly dynamic. Under steady-state conditions, hematopoietic cells migrate within the marrow cavity and circulate in the bloodstream. The mechanisms underlying hematopoietic stem/progenitor cell homing and mobilization have been studied in animal models, since conventional two-dimensional (2-D) bone marrow cell cultures do not reproduce the complex 3-D environment. In this review, we will highlight some of the mechanisms controlling hematopoietic cell migration and 3-D culture systems.

Performance of two-dimensional Doppler echocardiography for the assessment of infarct size and left ventricular function in rats

Although echocardiography has been used in rats, few studies have determined its efficacy for estimating myocardial infarct size. Our objective was to estimate the myocardial infarct size, and to evaluate anatomic and functional variables of the left ventricle. Myocardial infarction was produced in 43 female Wistar rats by ligature of the left coronary artery. Echocardiography was performed 5 weeks later to measure left ventricular diameter and transverse area (mean of 3 transverse planes), infarct size (percentage of the arc with infarct on 3 transverse planes), systolic function by the change in fractional area, and diastolic function by mitral inflow parameters. The histologic measurement of myocardial infarction size was similar to the echocardiographic method. Myocardial infarct size ranged from 4.8 to 66.6% when determined by histology and from 5 to 69.8% when determined by echocardiography, with good correlation (r = 0.88; P < 0.05; Pearson correlation coefficient). Left ventricular diameter and mean diastolic transverse area correlated with myocardial infarct size by histology (r = 0.57 and r = 0.78; P < 0.0005). The fractional area change ranged from 28.5 ± 5.6 (large-size myocardial infarction) to 53.1 ± 1.5% (control) and correlated with myocardial infarct size by echocardiography (r = -0.87; P < 0.00001) and histology (r = -0.78; P < 00001). The E/A wave ratio of mitral inflow velocity for animals with large-size myocardial infarction (5.6 ± 2.7) was significantly higher than for all others (control: 1.9 ± 0.1; small-size myocardial infarction: 1.9 ± 0.4; moderate-size myocardial infarction: 2.8 ± 2.3). There was good agreement between echocardiographic and histologic estimates of myocardial infarct size in rats.

An ultrasound and histomorphological analysis of experimental liver cirrhosis in rats

We investigated whether liver injury by dual exposure to ethanol and carbon tetrachloride (EtOH + CCl4) for 15 weeks would persist after hepatotoxic agents were removed (EtOH + CCl4/8wR). After 15 weeks of hepatic injury with ethanol (5.5%, m/v) and carbon tetrachloride (0.05, mL/kg, ip), 5 of 11 female Wistar rats were sacrificed. The other 6 rats were maintained for an additional 8 weeks without hepatotoxic agents. Ultrasonography showed increased liver echogenicity and dilation of portal vein caliber in both groups (EtOH + CCl4: 0.22 ± 0.01 cm, P < 0.001; EtOH + CCl4/8wR: 0.21 ± 0.02 cm, P < 0.01) vs control (0.16 ± 0.02 cm). Histopathology showed regenerative nodules in both experimental groups. Histomorphometry revealed increased fibrosis content in both groups (EtOH + CCl4: 12.6 ± 2.64%, P < 0.001; EtOH + CCl4/8wR: 10.4 ± 1.36%, P < 0.05) vs control (2.2 ± 1.21%). Collagen types I and III were increased in groups EtOH + CCl4 (collagen I: 2.5 ± 1.3%, P < 0.01; collagen III: 1.3 ± 0.2%, P < 0.05) and EtOH + CCl4/8wR (collagen I: 1.8 ± 0.06%, P < 0.05; collagen III: 1.5 ± 0.8%, P < 0.01) vs control (collagen I: 0.38 ± 0.11%; collagen III: 0.25 ± 0.06%). Tissue transglutaminase increased in both groups (EtOH + CCl4: 66.4 ± 8%, P < 0.01; EtOH + CCl4/8wR: 58.8 ± 21%, P < 0.01) vs control (7.9 ± 0.8%). Cirrhosis caused by the association of CCl4-EtOH remained for at least 8 weeks after removal of these hepatotoxic agents. Ultrasound images can be a useful tool to evaluate advanced hepatic alterations.

Wrist ultrasound analysis of patients with early rheumatoid arthritis

In the present study, we evaluated 42 wrists using the semi-quantitative scales power Doppler ultrasound (PDUS) and gray scale ultrasound (GSUS) with scores ranging from 0 to 3 and correlated the results with clinical, laboratory and radiographic data. Twenty-one patients (17 women and 4 men) with rheumatoid arthritis according to criteria of the American College of Rheumatology were enrolled in the study from September 2008 to July 2009 at Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). The average disease duration was 14 months. The patients were 66.6% Caucasians and 33.3% non-Caucasians, with a mean age of 42 and 41 years, respectively. A dorsal longitudinal scan was performed by ultrasound on the radiocarpal and midcarpal joints using GE LOGIQ XP-linear ultrasound and a high frequency (8-10 MHz) transducer. All patients were X-rayed, and the Larsen score was determined for the joints, with grades ranging from 0 to V. This study showed significant correlations between clinical, sonographic and laboratory data: GSUS and swollen right wrist (r = 0.546), GSUS of right wrist and swelling of left wrist (r = 0.511), PDUS of right wrist and pain in left wrist (r = 0.436), PDUS of right wrist and C-reactive protein (r = 0.466). Ultrasound can be considered a useful tool in the diagnosis of synovitis in early rheumatoid arthritis mainly when the anti-cyclic citrullinated peptide and rheumatoid factor are negative, and can lead to an early change in the therapeutic decision.

Pulsed ultrasound therapy accelerates the recovery of skeletal muscle damage induced by Bothrops jararacussu venom

We studied the effect of pulsed ultrasound therapy (UST) and antibothropic polyvalent antivenom (PAV) on the regeneration of mouse extensor digitorum longus muscle following damage by Bothrops jararacussu venom. Animals (Swiss male and female mice weighing 25.0 ± 5.0 g; 5 animals per group) received a perimuscular injection of venom (1 mg/kg) and treatment with UST was started 1 h later (1 min/day, 3 MHz, 0.3 W/cm², pulsed mode). Three and 28 days after injection, muscles were dissected and processed for light microscopy. The venom caused complete degeneration of muscle fibers. UST alone and combined with PAV (1.0 mL/kg) partially protected these fibers, whereas muscles receiving no treatment showed disorganized fascicules and fibers with reduced diameter. Treatment with UST and PAV decreased the effects of the venom on creatine kinase content and motor activity (approximately 75 and 48%, respectively). Sonication of the venom solution immediately before application decreased the in vivo and ex vivo myotoxic activities (approximately 60 and 50%, respectively). The present data show that UST counteracts some effects of B. jararacussu venom, causing structural and functional improvement of the regenerated muscle after venom injury.

Three-dimensional kinematic analysis of upper and lower limb motion during gait of post-stroke patients

The aim of this study was to analyze the alterations of arm and leg movements of patients during stroke gait. Joint angles of upper and lower limbs and spatiotemporal variables were evaluated in two groups: hemiparetic group (HG, 14 hemiparetic men, 53 ± 10 years) and control group (CG, 7 able-bodied men, 50 ± 4 years). The statistical analysis was based on the following comparisons (P ≤ 0.05): 1) right versus left sides of CG; 2) affected (AF) versus unaffected (UF) sides of HG; 3) CG versus both the affected and unaffected sides of HG, and 4) an intracycle comparison of the kinematic continuous angular variables between HG and CG. This study showed that the affected upper limb motion in stroke gait was characterized by a decreased range of motion of the glenohumeral (HG: 6.3 ± 4.5, CG: 20.1 ± 8.2) and elbow joints (AF: 8.4 ± 4.4, UF: 15.6 ± 7.6) on the sagittal plane and elbow joint flexion throughout the cycle (AF: 68.2 ± 0.4, CG: 46.8 ± 2.7). The glenohumeral joint presented a higher abduction angle (AF: 14.2 ± 1.6, CG: 11.5 ± 4.0) and a lower external rotation throughout the cycle (AF: 4.6 ± 1.2, CG: 22.0 ± 3.0). The lower limbs showed typical alterations of the stroke gait patterns. Thus, the changes in upper and lower limb motion of stroke gait were identified. The description of upper limb motion in stroke gait is new and complements gait analysis.

A spheroid-based 3-D culture model for pancreatic cancer drug testing, using the acid phosphatase assay

Current therapy for pancreatic cancer is multimodal, involving surgery and chemotherapy. However, development of pancreatic cancer therapies requires a thorough evaluation of drug efficacy in vitro before animal testing and subsequent clinical trials. Compared to two-dimensional culture of cell monolayer, three-dimensional (3-D) models more closely mimic native tissues, since the tumor microenvironment established in 3-D models often plays a significant role in cancer progression and cellular responses to the drugs. Accumulating evidence has highlighted the benefits of 3-D in vitro models of various cancers. In the present study, we have developed a spheroid-based, 3-D culture of pancreatic cancer cell lines MIAPaCa-2 and PANC-1 for pancreatic drug testing, using the acid phosphatase assay. Drug efficacy testing showed that spheroids had much higher drug resistance than monolayers. This model, which is characteristically reproducible and easy and offers rapid handling, is the preferred choice for filling the gap between monolayer cell cultures and in vivo models in the process of drug development and testing for pancreatic cancer.

Ultrasound method applied to characterize healthy femoral diaphysis of Wistar rats in vivo

A simple experimental protocol applying a quantitative ultrasound (QUS) pulse-echo technique was used to measure the acoustic parameters of healthy femoral diaphyses of Wistar rats in vivo. Five quantitative parameters [apparent integrated backscatter (AIB), frequency slope of apparent backscatter (FSAB), time slope of apparent backscatter (TSAB), integrated reflection coefficient (IRC), and frequency slope of integrated reflection (FSIR)] were calculated using the echoes from cortical and trabecular bone in the femurs of 14 Wistar rats. Signal acquisition was performed three times in each rat, with the ultrasound signal acquired along the femur's central region from three positions 1 mm apart from each other. The parameters estimated for the three positions were averaged to represent the femur diaphysis. The results showed that AIB, FSAB, TSAB, and IRC values were statistically similar, but the FSIR values from Experiments 1 and 3 were different. Furthermore, Pearson's correlation coefficient showed, in general, strong correlations among the parameters. The proposed protocol and calculated parameters demonstrated the potential to characterize the femur diaphysis of rats in vivo. The results are relevant because rats have a bone structure very similar to humans, and thus are an important step toward preclinical trials and subsequent application of QUS in humans.

A dimensional analysis of the benzylic hydroxylase active site in mortierella isabellina

The spatial limits of the active site in the benzylic hydroxylase enzyme of the fungus Mortierella isabellina were investigated. Several molecular probes were used in incubation experiments to determine the acceptability of each compound by this enzyme. The yields of benzylic alcohols provided information on the acceptability of the particular compound into the active site, and the enantiomeric excess values provided information on the "fit" of acceptable substrates. Measurements of the molecular models were made using Cambridge Scientific Computing Inc. CSC Chem 3D Plus modeling program. i The dimensional limits of the aromatic binding pocket of the benzylic hydroxylase were tested using suitably substituted ethyl benzenes. Both the depth (para substituted substrates) and width (ortho and meta substituted substrates) of this region were investigated, with results demonstrating absolute spatial limits in both directions in the plane of the aromatic ring of 7.3 Angstroms for the depth and 7.1 Angstroms for the width. A minimum requirement for the height of this region has also been established at 6.2 Angstroms. The region containing the active oxygen species was also investigated, using a series of alkylphenylmethanes and fused ring systems in indan, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene and benzocycloheptene substrates. A maximum distance of 6.9 Angstroms (including the 1.5 Angstroms from the phenyl substituent to the active center of the heme prosthetic group of the enzyme) has been established extending directly in ii front of the aromatic binding pocket. The other dimensions in this region of the benzylic hydroxylase active site will require further investigation to establish maximum allowable values. An explanation of the stereochemical distributions in the obtained products has also been put forth that correlates well with the experimental observations.

Investigation of Frustrated Quasi-One-Dimensional Quantum Spin-Chain Materials

Copper arsenite CuAs2O4 and Copper antimonite CuSb2O4 are S=1/2 (Cu2+ 3d9 electronic configuration) quasi-one-dimensional quantum spin-chain compounds. Both compounds crystallize with tetragonal structures containing edge sharing CuO6 octahedra chains which experience Jahn-Teller distortions. The basal planes of the octahedra link together to form CuO2 ribbon-chains which harbor Cu2+ spin-chains. These compounds are magnetically frustrated with competing nearest-neighbour and next-nearest-neighbour intrachain spin-exchange interactions. Despite the similarities between CuAs2O4 and CuSb2O4, they exhibit very different magnetic properties. In this thesis work, the physical properties of CuAs2O4 and CuSb2O4 are investigated using a variety of experimental techniques which include x-ray diffraction, magnetic susceptibility measurements, heat capacity measurements, Raman spectroscopy, electron paramagnetic resonance, neutron diffraction, and dielectric capacitance measurements. CuAs2O4 exhibits dominant ferromagnetic nearest-neighbour and weaker antiferromagnetic next-nearest-neighbour intrachain spin-exchange interactions. The ratio of the intrachain interactions amounts to Jnn/Jnnn = -4.1. CuAs2O4 was found to order with a ferromagnetic groundstate below TC = 7.4 K. An extensive physical characterization of the magnetic and structural properties of CuAs2O4 was carried out. Under the effect of hydrostatic pressure, CuAs2O4 was found to undergo a structural phase transition at 9 GPa to a new spin-chain structure. The structural phase transition is accompanied by a severe alteration of the magnetic properties. The high-pressure phase exhibits dominant ferromagnetic next-nearest-neighbour spin-exchange interactions and weaker ferromagnetic nearest-neighbour interactions. The ratio of the intrachain interactions in the high-pressure phase was found to be Jnn/Jnnn = 0.3. Structural and magnetic characterizations under hydrostatic pressure are reported and a relationship between the structural and magnetic properties was established. CuSb2O4 orders antiferromagnetically below TN = 1.8 K with an incommensurate helicoidal magnetic structure. CuSb2O4 is characterized by ferromagnetic nearest-neighbour and antiferromagnetic next-nearest-neighbour spin-exchange interactions with Jnn/Jnnn = -1.8. A (H, T) magnetic phase diagram was constructed using low-temperature magnetization and heat capacity measurements. The resulting phase diagram contains multiple phases as a consequence of the strong intrachain magnetic frustration. Indications of ferroelectricity were observed in the incommensurate antiferromagnetic phase.

Segmentation d’images intravasculaires ultrasonores

L'imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technologie médicale par cathéter qui produit des images de coupe des vaisseaux sanguins. Elle permet de quantifier et d'étudier la morphologie de plaques d'athérosclérose en plus de visualiser la structure des vaisseaux sanguins (lumière, intima, plaque, média et adventice) en trois dimensions. Depuis quelques années, cette méthode d'imagerie est devenue un outil de choix en recherche aussi bien qu'en clinique pour l'étude de la maladie athérosclérotique. L'imagerie IVUS est par contre affectée par des artéfacts associés aux caractéristiques des capteurs ultrasonores, par la présence de cônes d'ombre causés par les calcifications ou des artères collatérales, par des plaques dont le rendu est hétérogène ou par le chatoiement ultrasonore (speckle) sanguin. L'analyse automatisée de séquences IVUS de grande taille représente donc un défi important. Une méthode de segmentation en trois dimensions (3D) basée sur l'algorithme du fast-marching à interfaces multiples est présentée. La segmentation utilise des attributs des régions et contours des images IVUS. En effet, une nouvelle fonction de vitesse de propagation des interfaces combinant les fonctions de densité de probabilité des tons de gris des composants de la paroi vasculaire et le gradient des intensités est proposée. La segmentation est grandement automatisée puisque la lumière du vaisseau est détectée de façon entièrement automatique. Dans une procédure d'initialisation originale, un minimum d'interactions est nécessaire lorsque les contours initiaux de la paroi externe du vaisseau calculés automatiquement sont proposés à l'utilisateur pour acceptation ou correction sur un nombre limité d'images de coupe longitudinale. La segmentation a été validée à l'aide de séquences IVUS in vivo provenant d'artères fémorales provenant de différents sous-groupes d'acquisitions, c'est-à-dire pré-angioplastie par ballon, post-intervention et à un examen de contrôle 1 an suivant l'intervention. Les résultats ont été comparés avec des contours étalons tracés manuellement par différents experts en analyse d'images IVUS. Les contours de la lumière et de la paroi externe du vaisseau détectés selon la méthode du fast-marching sont en accord avec les tracés manuels des experts puisque les mesures d'aire sont similaires et les différences point-à-point entre les contours sont faibles. De plus, la segmentation par fast-marching 3D s'est effectuée en un temps grandement réduit comparativement à l'analyse manuelle. Il s'agit de la première étude rapportée dans la littérature qui évalue la performance de la segmentation sur différents types d'acquisition IVUS. En conclusion, la segmentation par fast-marching combinant les informations des distributions de tons de gris et du gradient des intensités des images est précise et efficace pour l'analyse de séquences IVUS de grandes tailles. Un outil de segmentation robuste pourrait devenir largement répandu pour la tâche ardue et fastidieuse qu'est l'analyse de ce type d'images.

Optimization and validation of a new 3D-US imaging robot to detect, localize and quantify lower limb arterial stenoses

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients. L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5).

Suivi des vaisseaux sanguins en temps réel à partir d’images ultrasonores mode-B et reconstruction 3D : application à la caractérisation des sténoses artérielles

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain.