Apports de l’imagerie optique à l’étude de l’impact du niveau de scolarité sur la contribution des lobes frontaux à la production de mots

Le vieillissement normal est associé à une réorganisation cérébrale qui peut être influencée par plusieurs facteurs. Des théories comme la réserve cognitive de Stern (2002) tentent d’expliquer les effets de ces différents facteurs. Certains, le niveau de scolarité par exemple, sont encore mal connus. Pourtant, le niveau de scolarité est connu pour avoir un impact sur les performances cognitives tout au long de la vie. Le but de ce mémoire est d’étudier les effets du niveau de scolarité sur l’oxygénation cérébrale de personnes âgées en santé lors d’une tâche d’évocation lexicale orthographique et sémantique. Chaque tâche est divisée selon un critère « plus productive » et « moins productive ». Les âgés faiblement scolarisés produisent moins de mots que les âgés fortement scolarisés. De plus, la différence de mots produits entre le critère plus productif et moins productif est plus grande pour la tâche sémantique que pour la tâche orthographique. Du point de vue hémodynamique, les deux groupes ont des activations semblables, contredisant le phénomène HAROLD. De plus, les participants peu scolarisés tendent à activer de façon plus importante l’hémisphère gauche, peu importe la tâche ou la condition. Par contre, les activations varient selon la tâche et la condition dans le cas du groupe fortement scolarisé.

Représentation et identification des hypersurfaces

L’objectif à moyen terme de ce travail est d’explorer quelques formulations des problèmes d’identification de forme et de reconnaissance de surface à partir de mesures ponctuelles. Ces problèmes ont plusieurs applications importantes dans les domaines de l’imagerie médicale, de la biométrie, de la sécurité des accès automatiques et dans l’identification de structures cohérentes lagrangiennes en mécanique des fluides. Par exemple, le problème d’identification des différentes caractéristiques de la main droite ou du visage d’une population à l’autre ou le suivi d’une chirurgie à partir des données générées par un numériseur. L’objectif de ce mémoire est de préparer le terrain en passant en revue les différents outils mathématiques disponibles pour appréhender la géométrie comme variable d’optimisation ou d’identification. Pour l’identification des surfaces, on explore l’utilisation de fonctions distance ou distance orientée, et d’ensembles de niveau comme chez S. Osher et R. Fedkiw ; pour la comparaison de surfaces, on présente les constructions des métriques de Courant par A. M. Micheletti en 1972 et le point de vue de R. Azencott et A. Trouvé en 1995 qui consistent à générer des déformations d’une surface de référence via une famille de difféomorphismes. L’accent est mis sur les fondations mathématiques sous-jacentes que l’on a essayé de clarifier lorsque nécessaire, et, le cas échéant, sur l’exploration d’autres avenues.

Modélisation de la diffraction des ondes de cisaillement en élastographie dynamique ultrasonore

L'élastographie ultrasonore est une technique d'imagerie émergente destinée à cartographier les paramètres mécaniques des tissus biologiques, permettant ainsi d’obtenir des informations diagnostiques additionnelles pertinentes. La méthode peut ainsi être perçue comme une extension quantitative et objective de l'examen palpatoire. Diverses techniques élastographiques ont ainsi été proposées pour l'étude d'organes tels que le foie, le sein et la prostate et. L'ensemble des méthodes proposées ont en commun une succession de trois étapes bien définies: l'excitation mécanique (statique ou dynamique) de l'organe, la mesure des déplacements induits (réponse au stimulus), puis enfin, l'étape dite d'inversion, qui permet la quantification des paramètres mécaniques, via un modèle théorique préétabli. Parallèlement à la diversification des champs d'applications accessibles à l'élastographie, de nombreux efforts sont faits afin d'améliorer la précision ainsi que la robustesse des méthodes dites d'inversion. Cette thèse regroupe un ensemble de travaux théoriques et expérimentaux destinés à la validation de nouvelles méthodes d'inversion dédiées à l'étude de milieux mécaniquement inhomogènes. Ainsi, dans le contexte du diagnostic du cancer du sein, une tumeur peut être perçue comme une hétérogénéité mécanique confinée, ou inclusion, affectant la propagation d'ondes de cisaillement (stimulus dynamique). Le premier objectif de cette thèse consiste à formuler un modèle théorique capable de prédire l'interaction des ondes de cisaillement induites avec une tumeur, dont la géométrie est modélisée par une ellipse. Après validation du modèle proposé, un problème inverse est formulé permettant la quantification des paramètres viscoélastiques de l'inclusion elliptique. Dans la continuité de cet objectif, l'approche a été étendue au cas d'une hétérogénéité mécanique tridimensionnelle et sphérique avec, comme objectifs additionnels, l'applicabilité aux mesures ultrasonores par force de radiation, mais aussi à l'estimation du comportement rhéologique de l'inclusion (i.e., la variation des paramètres mécaniques avec la fréquence d'excitation). Enfin, dans le cadre de l'étude des propriétés mécaniques du sang lors de la coagulation, une approche spécifique découlant de précédents travaux réalisés au sein de notre laboratoire est proposée. Celle-ci consiste à estimer la viscoélasticité du caillot sanguin via le phénomène de résonance mécanique, ici induit par force de radiation ultrasonore. La méthode, dénommée ARFIRE (''Acoustic Radiation Force Induced Resonance Elastography'') est appliquée à l'étude de la coagulation de sang humain complet chez des sujets sains et sa reproductibilité est évaluée.

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.

Studies on Fuzzy Graphs

In this thesis an attempt to develop the properties of basic concepts in fuzzy graphs such as fuzzy bridges, fuzzy cutnodes, fuzzy trees and blocks in fuzzy graphs have been made. The notion of complement of a fuzzy graph is modified and some of its properties are studied. Since the notion of complement has just been initiated, several properties of G and G available for crisp graphs can be studied for fuzzy graphs also. Mainly focused on fuzzy trees defined by Rosenfeld in [10] , several other types of fuzzy trees are defined depending on the acyclicity level of a fuzzy graph. It is observed that there are selfcentered fuzzy trees. Some operations on fuzzy graphs and prove that complement of the union two fuzzy graphs is the join of their complements and complement of the join of two fuzzy graphs is union of their complements. The study of fuzzy graphs made in this thesis is far from being complete. The wide ranging applications of graph theory and the interdisciplinary nature of fuzzy set theory, if properly blended together could pave a way for a substantial growth of fuzzy graph theory.

Antimedian graphs

Antimedian graphs are introduced as the graphs in which for every triple of vertices there exists a unique vertex x that maximizes the sum of the distances from x to the vertices of the triple. The Cartesian product of graphs is antimedian if and only if its factors are antimedian. It is proved that multiplying a non-antimedian vertex in an antimedian graph yields a larger antimedian graph. Thin even belts are introduced and proved to be antimedian. A characterization of antimedian trees is given that leads to a linear recognition algorithm.

Emission characteristics and dynamics of C2 from laser produced graphite plasma

The emission features of laser ablated graphite plume generated in a helium ambient atmosphere have been investigated with time and space resolved plasma diagnostic technique. Time resolved optical emission spectroscopy is employed to reveal the velocity distribution of different species ejected during ablation. At lower values of laser fluences only a slowly propagating component of C2 is seen. At high fluences emission from C2 shows a twin peak distribution in time. The formation of an emission peak with diminished time delay giving an energetic peak at higher laser fluences is attributed to many body recombination. It is also observed that these double peaks get modified into triple peak time of flight distribution at distances greater than 16 mm from the target. The occurrence of multiple peaks in the C2 emission is mainly due to the delays caused from the different formation mechanism of C2 species. The velocity distribution of the faster peak exhibits an oscillating character with distance from the target surface.

Studies on the Spectrum and the Energy of Graphs

Department of Mathematics, Cochin University of Science and Technology

Magnetic phase separation in ordered alloys

We present a lattice model to study the equilibrium phase diagram of ordered alloys with one magnetic component that exhibits a low temperature phase separation between paramagnetic and ferromagnetic phases. The model is constructed from the experimental facts observed in Cu3-xAlMnx and it includes coupling between configurational and magnetic degrees of freedom that are appropriate for reproducing the low temperature miscibility gap. The essential ingredient for the occurrence of such a coexistence region is the development of ferromagnetic order induced by the long-range atomic order of the magnetic component. A comparative study of both mean-field and Monte Carlo solutions is presented. Moreover, the model may enable the study of the structure of ferromagnetic domains embedded in the nonmagnetic matrix. This is relevant in relation to phenomena such as magnetoresistance and paramagnetism

Random-field Potts model with dipolarlike interactions: Hysteresis avalanches and microstructure

A model for the study of hysteresis and avalanches in a first-order phase transition from a single variant phase to a multivariant phase is presented. The model is based on a modification of the random-field Potts model with metastable dynamics by adding a dipolar interaction term truncated at nearest neighbors. We focus our study on hysteresis loop properties, on the three-dimensional microstructure formation, and on avalanche statistics.

Asymmetric Little spin-Glass model

We study the static properties of the Little model with asymmetric couplings. We show that the thermodynamics of this model coincides with that of the Sherrington-Kirkpatrick model, and we compute the main finite-size corrections to the difference of the free energy between these two models and to some clarifying order parameters. Our results agree with numerical simulations. Numerical results are presented for the symmetric Little model, which show that the same conclusions are also valid in this case.

Evidence of a critical time in constrained Kinetic Ising models

We study the relaxational dynamics of the one-spin facilitated Ising model introduced by Fredrickson and Andersen. We show the existence of a critical time which separates an initial regime in which the relaxation is exponentially fast and aging is absent from a regime in which relaxation becomes slow and aging effects are present. The presence of this fast exponential process and its associated critical time is in agreement with some recent experimental results on fragile glasses.

Spin-Peierls vs Peierls distortions in a family of conjugated polymers

Distortions in a family of conjugated polymers are studied using two complementary approaches: within a many-body valence bond approach using a transfer-matrix technique to treat the Heisenberg model of the systems, and also in terms of the tight-binding band-theoretic model with interactions limited to nearest neighbors. The computations indicate that both methods predict the presence or absence of the same distortions in most of the polymers studied.

Parity violation in Aharonov-Bohm systems: The spontaneous Hall effect

We show how macroscopic manifestations of P (and T) symmetry breaking can arise in a simple system subject to Aharonov-Bohm interactions. Specifically, we study the conductivity of a gas of charged particles moving through a dilute array of flux tubes. The interaction of the electrons with the flux tubes is taken to be of a purely Aharonov-Bohm type. We find that the system exhibits a nonzero transverse conductivity, i.e., a spontaneous Hall effect. This is in contrast to the fact that the cross sections for both scattering and bremsstrahlung (soft-photon emission) of a single electron from a flux tube are invariant under reflections. We argue that the asymmetry in the conductivity coefficients arises from many-body effects. On the other hand, the transverse conductivity has the same dependence on universal constants that appears in the quantum Hall effect, a result that we relate to the validity of the mean-field approximation.

Topological magnetic irreversibility in superconducting Pb samples of various shapes

The magnetic-field dependence of the magnetization of cylinders, disks, and spheres of pure type-I superconducting lead was investigated by means of isothermal measurements of first magnetization curves and hysteresis cycles. Depending on the geometry of the sample and the direction and intensity of the applied magnetic field, the intermediate state exhibits different irreversible features that become particularly highlighted in minor hysteresis cycles. The irreversibility is noticeably observed in cylinders and disks only when the magnetic field is parallel to the axis of revolution and is very subtle in spheres. When the magnetic field decreases from the normal state, the irreversibility appears at a temperature-dependent value whose distance to the thermodynamic critical field depends on the sample geometry. The irreversible features in the disks are altered when they are submitted to an annealing process. These results agree well with very recent high-resolution magneto-optical experiments in similar materials that were interpreted in terms of transitions between different topological structures for the flux configuration in the intermediate state. A discussion of the relative role of geometrical barriers for flux entry and exit and pinning effects as responsible for the magnetic irreversibility is given.