Development of a 3D very high-resolution seismic reflection system for lacustrine settings - a case study over a thrust fault zone in Lake Geneva

Un système efficace de sismique tridimensionnelle (3-D) haute-résolution adapté à des cibles lacustres de petite échelle a été développé. Dans le Lac Léman, près de la ville de Lausanne, en Suisse, des investigations récentes en deux dimension (2-D) ont mis en évidence une zone de faille complexe qui a été choisie pour tester notre système. Les structures observées incluent une couche mince (<40 m) de sédiments quaternaires sub-horizontaux, discordants sur des couches tertiaires de molasse pentées vers le sud-est. On observe aussi la zone de faille de « La Paudèze » qui sépare les unités de la Molasse du Plateau de la Molasse Subalpine. Deux campagnes 3-D complètes, d?environ d?un kilomètre carré, ont été réalisées sur ce site de test. La campagne pilote (campagne I), effectuée en 1999 pendant 8 jours, a couvert 80 profils en utilisant une seule flûte. Pendant la campagne II (9 jours en 2001), le nouveau système trois-flûtes, bien paramétrés pour notre objectif, a permis l?acquisition de données de très haute qualité sur 180 lignes CMP. Les améliorations principales incluent un système de navigation et de déclenchement de tirs grâce à un nouveau logiciel. Celui-ci comprend un contrôle qualité de la navigation du bateau en temps réel utilisant un GPS différentiel (dGPS) à bord et une station de référence près du bord du lac. De cette façon, les tirs peuvent être déclenchés tous les 5 mètres avec une erreur maximale non-cumulative de 25 centimètres. Tandis que pour la campagne I la position des récepteurs de la flûte 48-traces a dû être déduite à partir des positions du bateau, pour la campagne II elle ont pu être calculées précisément (erreur <20 cm) grâce aux trois antennes dGPS supplémentaires placées sur des flotteurs attachés à l?extrémité de chaque flûte 24-traces. Il est maintenant possible de déterminer la dérive éventuelle de l?extrémité des flûtes (75 m) causée par des courants latéraux ou de petites variations de trajet du bateau. De plus, la construction de deux bras télescopiques maintenant les trois flûtes à une distance de 7.5 m les uns des autres, qui est la même distance que celle entre les lignes naviguées de la campagne II. En combinaison avec un espacement de récepteurs de 2.5 m, la dimension de chaque «bin» de données 3-D de la campagne II est de 1.25 m en ligne et 3.75 m latéralement. L?espacement plus grand en direction « in-line » par rapport à la direction «cross-line» est justifié par l?orientation structurale de la zone de faille perpendiculaire à la direction «in-line». L?incertitude sur la navigation et le positionnement pendant la campagne I et le «binning» imprécis qui en résulte, se retrouve dans les données sous forme d?une certaine discontinuité des réflecteurs. L?utilisation d?un canon à air à doublechambre (qui permet d?atténuer l?effet bulle) a pu réduire l?aliasing observé dans les sections migrées en 3-D. Celui-ci était dû à la combinaison du contenu relativement haute fréquence (<2000 Hz) du canon à eau (utilisé à 140 bars et à 0.3 m de profondeur) et d?un pas d?échantillonnage latéral insuffisant. Le Mini G.I 15/15 a été utilisé à 80 bars et à 1 m de profondeur, est mieux adapté à la complexité de la cible, une zone faillée ayant des réflecteurs pentés jusqu?à 30°. Bien que ses fréquences ne dépassent pas les 650 Hz, cette source combine une pénétration du signal non-aliasé jusqu?à 300 m dans le sol (par rapport au 145 m pour le canon à eau) pour une résolution verticale maximale de 1.1 m. Tandis que la campagne I a été acquise par groupes de plusieurs lignes de directions alternées, l?optimisation du temps d?acquisition du nouveau système à trois flûtes permet l?acquisition en géométrie parallèle, ce qui est préférable lorsqu?on utilise une configuration asymétrique (une source et un dispositif de récepteurs). Si on ne procède pas ainsi, les stacks sont différents selon la direction. Toutefois, la configuration de flûtes, plus courtes que pour la compagne I, a réduit la couverture nominale, la ramenant de 12 à 6. Une séquence classique de traitement 3-D a été adaptée à l?échantillonnage à haute fréquence et elle a été complétée par deux programmes qui transforment le format non-conventionnel de nos données de navigation en un format standard de l?industrie. Dans l?ordre, le traitement comprend l?incorporation de la géométrie, suivi de l?édition des traces, de l?harmonisation des «bins» (pour compenser l?inhomogénéité de la couverture due à la dérive du bateau et de la flûte), de la correction de la divergence sphérique, du filtrage passe-bande, de l?analyse de vitesse, de la correction DMO en 3-D, du stack et enfin de la migration 3-D en temps. D?analyses de vitesse détaillées ont été effectuées sur les données de couverture 12, une ligne sur deux et tous les 50 CMP, soit un nombre total de 600 spectres de semblance. Selon cette analyse, les vitesses d?intervalles varient de 1450-1650 m/s dans les sédiments non-consolidés et de 1650-3000 m/s dans les sédiments consolidés. Le fait que l?on puisse interpréter plusieurs horizons et surfaces de faille dans le cube, montre le potentiel de cette technique pour une interprétation tectonique et géologique à petite échelle en trois dimensions. On distingue cinq faciès sismiques principaux et leurs géométries 3-D détaillées sur des sections verticales et horizontales: les sédiments lacustres (Holocène), les sédiments glacio-lacustres (Pléistocène), la Molasse du Plateau, la Molasse Subalpine de la zone de faille (chevauchement) et la Molasse Subalpine au sud de cette zone. Les couches de la Molasse du Plateau et de la Molasse Subalpine ont respectivement un pendage de ~8° et ~20°. La zone de faille comprend de nombreuses structures très déformées de pendage d?environ 30°. Des tests préliminaires avec un algorithme de migration 3-D en profondeur avant sommation et à amplitudes préservées démontrent que la qualité excellente des données de la campagne II permet l?application de telles techniques à des campagnes haute-résolution. La méthode de sismique marine 3-D était utilisée jusqu?à présent quasi-exclusivement par l?industrie pétrolière. Son adaptation à une échelle plus petite géographiquement mais aussi financièrement a ouvert la voie d?appliquer cette technique à des objectifs d?environnement et du génie civil.<br/><br/>An efficient high-resolution three-dimensional (3-D) seismic reflection system for small-scale targets in lacustrine settings was developed. In Lake Geneva, near the city of Lausanne, Switzerland, past high-resolution two-dimensional (2-D) investigations revealed a complex fault zone (the Paudèze thrust zone), which was subsequently chosen for testing our system. Observed structures include a thin (<40 m) layer of subhorizontal Quaternary sediments that unconformably overlie southeast-dipping Tertiary Molasse beds and the Paudèze thrust zone, which separates Plateau and Subalpine Molasse units. Two complete 3-D surveys have been conducted over this same test site, covering an area of about 1 km2. In 1999, a pilot survey (Survey I), comprising 80 profiles, was carried out in 8 days with a single-streamer configuration. In 2001, a second survey (Survey II) used a newly developed three-streamer system with optimized design parameters, which provided an exceptionally high-quality data set of 180 common midpoint (CMP) lines in 9 days. The main improvements include a navigation and shot-triggering system with in-house navigation software that automatically fires the gun in combination with real-time control on navigation quality using differential GPS (dGPS) onboard and a reference base near the lake shore. Shots were triggered at 5-m intervals with a maximum non-cumulative error of 25 cm. Whereas the single 48-channel streamer system of Survey I requires extrapolation of receiver positions from the boat position, for Survey II they could be accurately calculated (error <20 cm) with the aid of three additional dGPS antennas mounted on rafts attached to the end of each of the 24- channel streamers. Towed at a distance of 75 m behind the vessel, they allow the determination of feathering due to cross-line currents or small course variations. Furthermore, two retractable booms hold the three streamers at a distance of 7.5 m from each other, which is the same distance as the sail line interval for Survey I. With a receiver spacing of 2.5 m, the bin dimension of the 3-D data of Survey II is 1.25 m in in-line direction and 3.75 m in cross-line direction. The greater cross-line versus in-line spacing is justified by the known structural trend of the fault zone perpendicular to the in-line direction. The data from Survey I showed some reflection discontinuity as a result of insufficiently accurate navigation and positioning and subsequent binning errors. Observed aliasing in the 3-D migration was due to insufficient lateral sampling combined with the relatively high frequency (<2000 Hz) content of the water gun source (operated at 140 bars and 0.3 m depth). These results motivated the use of a double-chamber bubble-canceling air gun for Survey II. A 15 / 15 Mini G.I air gun operated at 80 bars and 1 m depth, proved to be better adapted for imaging the complexly faulted target area, which has reflectors dipping up to 30°. Although its frequencies do not exceed 650 Hz, this air gun combines a penetration of non-aliased signal to depths of 300 m below the water bottom (versus 145 m for the water gun) with a maximum vertical resolution of 1.1 m. While Survey I was shot in patches of alternating directions, the optimized surveying time of the new threestreamer system allowed acquisition in parallel geometry, which is preferable when using an asymmetric configuration (single source and receiver array). Otherwise, resulting stacks are different for the opposite directions. However, the shorter streamer configuration of Survey II reduced the nominal fold from 12 to 6. A 3-D conventional processing flow was adapted to the high sampling rates and was complemented by two computer programs that format the unconventional navigation data to industry standards. Processing included trace editing, geometry assignment, bin harmonization (to compensate for uneven fold due to boat/streamer drift), spherical divergence correction, bandpass filtering, velocity analysis, 3-D DMO correction, stack and 3-D time migration. A detailed semblance velocity analysis was performed on the 12-fold data set for every second in-line and every 50th CMP, i.e. on a total of 600 spectra. According to this velocity analysis, interval velocities range from 1450-1650 m/s for the unconsolidated sediments and from 1650-3000 m/s for the consolidated sediments. Delineation of several horizons and fault surfaces reveal the potential for small-scale geologic and tectonic interpretation in three dimensions. Five major seismic facies and their detailed 3-D geometries can be distinguished in vertical and horizontal sections: lacustrine sediments (Holocene) , glaciolacustrine sediments (Pleistocene), Plateau Molasse, Subalpine Molasse and its thrust fault zone. Dips of beds within Plateau and Subalpine Molasse are ~8° and ~20°, respectively. Within the fault zone, many highly deformed structures with dips around 30° are visible. Preliminary tests with 3-D preserved-amplitude prestack depth migration demonstrate that the excellent data quality of Survey II allows application of such sophisticated techniques even to high-resolution seismic surveys. In general, the adaptation of the 3-D marine seismic reflection method, which to date has almost exclusively been used by the oil exploration industry, to a smaller geographical as well as financial scale has helped pave the way for applying this technique to environmental and engineering purposes.<br/><br/>La sismique réflexion est une méthode d?investigation du sous-sol avec un très grand pouvoir de résolution. Elle consiste à envoyer des vibrations dans le sol et à recueillir les ondes qui se réfléchissent sur les discontinuités géologiques à différentes profondeurs et remontent ensuite à la surface où elles sont enregistrées. Les signaux ainsi recueillis donnent non seulement des informations sur la nature des couches en présence et leur géométrie, mais ils permettent aussi de faire une interprétation géologique du sous-sol. Par exemple, dans le cas de roches sédimentaires, les profils de sismique réflexion permettent de déterminer leur mode de dépôt, leurs éventuelles déformations ou cassures et donc leur histoire tectonique. La sismique réflexion est la méthode principale de l?exploration pétrolière. Pendant longtemps on a réalisé des profils de sismique réflexion le long de profils qui fournissent une image du sous-sol en deux dimensions. Les images ainsi obtenues ne sont que partiellement exactes, puisqu?elles ne tiennent pas compte de l?aspect tridimensionnel des structures géologiques. Depuis quelques dizaines d?années, la sismique en trois dimensions (3-D) a apporté un souffle nouveau à l?étude du sous-sol. Si elle est aujourd?hui parfaitement maîtrisée pour l?imagerie des grandes structures géologiques tant dans le domaine terrestre que le domaine océanique, son adaptation à l?échelle lacustre ou fluviale n?a encore fait l?objet que de rares études. Ce travail de thèse a consisté à développer un système d?acquisition sismique similaire à celui utilisé pour la prospection pétrolière en mer, mais adapté aux lacs. Il est donc de dimension moindre, de mise en oeuvre plus légère et surtout d?une résolution des images finales beaucoup plus élevée. Alors que l?industrie pétrolière se limite souvent à une résolution de l?ordre de la dizaine de mètres, l?instrument qui a été mis au point dans le cadre de ce travail permet de voir des détails de l?ordre du mètre. Le nouveau système repose sur la possibilité d?enregistrer simultanément les réflexions sismiques sur trois câbles sismiques (ou flûtes) de 24 traces chacun. Pour obtenir des données 3-D, il est essentiel de positionner les instruments sur l?eau (source et récepteurs des ondes sismiques) avec une grande précision. Un logiciel a été spécialement développé pour le contrôle de la navigation et le déclenchement des tirs de la source sismique en utilisant des récepteurs GPS différentiel (dGPS) sur le bateau et à l?extrémité de chaque flûte. Ceci permet de positionner les instruments avec une précision de l?ordre de 20 cm. Pour tester notre système, nous avons choisi une zone sur le Lac Léman, près de la ville de Lausanne, où passe la faille de « La Paudèze » qui sépare les unités de la Molasse du Plateau et de la Molasse Subalpine. Deux campagnes de mesures de sismique 3-D y ont été réalisées sur une zone d?environ 1 km2. Les enregistrements sismiques ont ensuite été traités pour les transformer en images interprétables. Nous avons appliqué une séquence de traitement 3-D spécialement adaptée à nos données, notamment en ce qui concerne le positionnement. Après traitement, les données font apparaître différents faciès sismiques principaux correspondant notamment aux sédiments lacustres (Holocène), aux sédiments glacio-lacustres (Pléistocène), à la Molasse du Plateau, à la Molasse Subalpine de la zone de faille et la Molasse Subalpine au sud de cette zone. La géométrie 3-D détaillée des failles est visible sur les sections sismiques verticales et horizontales. L?excellente qualité des données et l?interprétation de plusieurs horizons et surfaces de faille montrent le potentiel de cette technique pour les investigations à petite échelle en trois dimensions ce qui ouvre des voies à son application dans les domaines de l?environnement et du génie civil.

Ultra-high Field (7 T) MRI and a Novel Robust Segmentation of Thalamic Nuclei on DWI for Gamma Knife Surgery Purposes: The Targeting of the Ventrointermediate Nucleus

Introduction: Gamma Knife surgery (GKS) is a noninvasive neurosurgical stereotactic procedure, increasingly used as an alternative to open functional procedures. This includes the targeting of the ventrointermediate nucleus of the thalamus (e.g., Vim) for tremor. Objective: To enhance anatomic imaging for Vim GKS using high-field (7 T) MRI and Diffusion Weighted Imaging (DWI). Methods: Five young healthy subjects and two patients were scanned both on 3 and 7 T MRI. The protocol was the same in all cases, and included: T1-weighted (T1w) and DWI at 3T; susceptibility weighted images (SWI) at 7T for the visualization of thalamic subparts. SWI was further integrated into the Gamma Plan Software® (LGP, Elekta Instruments, AB, Sweden) and co-registered with 3T images. A simulation of targeting of the Vim was done using the quadrilatere of Guyot. Furthermore, a correlation with the position of the found target on SWI and also on DWI (after clustering of the different thalamic nuclei) was performed. Results: For the 5 healthy subjects, there was a good correlation between the position of the Vim on SWI, DWI and the GKS targeting. For the patients, on the pretherapeutic acquisitions, SWI helped in positioning the target. For posttherapeutic sequences, SWI supposed position of the Vim matched the corresponding contrast enhancement seen at follow-up MRI. Additionally, on the patient's follow-up T1w images, we could observe a small area of contrast-enhancement corresponding to the target used in GKS (e.g., Vim), which belongs to the Ventral-Lateral-Ventral (VLV) nuclei group. Our clustering method resulted in seven thalamic groups. Conclusion: The use of SWI provided us with a superior resolution and an improved image contrast within the central gray matter, enabling us to directly visualize the Vim. We additionally propose a novel robust method for segmenting the thalamus in seven anatomical groups based on DWI. The localization of the GKS target on the follow-up T1w images, as well as the position of the Vim on 7 T, have been used as a gold standard for the validation of VLV cluster's emplacement. The contrast enhancement corresponding to the targeted area was always localized inside the expected cluster, providing strong evidence of the VLV segmentation accuracy. The anatomical correlation between the direct visualization on 7T and the current targeting methods on 3T (e.g., quadrilatere of Guyot, histological atlases, DWI) seems to show a very good anatomical matching.

Imaging the time-integrated cerebral metabolic activity with subcellular resolution through nanometer-scale detection of biosynthetic products deriving from (13)C-glucose.

Glucose is the primary source of energy for the brain but also an important source of building blocks for proteins, lipids, and nucleic acids. Little is known about the use of glucose for biosynthesis in tissues at the cellular level. We demonstrate that local cerebral metabolic activity can be mapped in mouse brain tissue by quantitatively imaging the biosynthetic products deriving from [U-(13)C]glucose metabolism using a combination of in situ electron microscopy and secondary ion mass-spectroscopy (NanoSIMS). Images of the (13)C-label incorporated into cerebral ultrastructure with ca. 100nm resolution allowed us to determine the timescale on which the metabolic products of glucose are incorporated into different cells, their sub-compartments and organelles. These were mapped in astrocytes and neurons in the different layers of the motor cortex. We see evidence for high metabolic activity in neurons via the nucleus (13)C enrichment. We observe that in all the major cell compartments, such as e.g. nucleus and Golgi apparatus, neurons incorporate substantially higher concentrations of (13)C-label than astrocytes.

Magnetic resonance imaging of the chest in the evaluation of cancer patients: state of the art

Magnetic resonance imaging (MRI) has several advantages in the evaluation of cancer patients with thoracic lesions, including involvement of the chest wall, pleura, lungs, mediastinum, esophagus and heart. It is a quite useful tool in the diagnosis, staging, surgical planning, treatment response evaluation and follow-up of these patients. In the present review, the authors contextualize the relevance of MRI in the evaluation of thoracic lesions in cancer patients. Considering that MRI is a widely available method with high contrast and spatial resolution and without the risks associated with the use of ionizing radiation, its use combined with new techniques such as cine-MRI and functional methods such as perfusion- and diffusion-weighted imaging may be useful as an alternative tool with performance comparable or complementary to conventional radiological methods such as radiography, computed tomography and PET/CT imaging in the evaluation of patients with thoracic neoplasias.

High-Resolution Magnetic Resonance Imaging Can Reliably Detect Orbital Tumor Recurrence after Enucleation in Children with Retinoblastoma.

PURPOSE: Orbital tumor recurrence is a rare but serious complication in children with retinoblastoma, leading to a high risk of metastasis and death. Therefore, we assume that these recurrences have to be detected and treated as early as possible. Preliminary studies used magnetic resonance imaging (MRI) to evaluate postsurgical findings in the orbit. In this study, we assessed the diagnostic accuracy of high-resolution MRI to detect orbital tumor recurrence in children with retinoblastoma in a large study cohort. DESIGN: Consecutive retrospective study (2007-2013) assessing MRI findings after enucleation. PARTICIPANTS: A total of 103 MRI examinations of 55 orbits (50 children, 27 male/23 female, mean age 16.3±12.4 months) with a median time of 8 months (range, 0-93) after enucleation for retinoblastoma. METHODS: High-resolution MRI using orbital surface coils was performed on 1.5 Tesla MRI systems to assess abnormal orbital findings. MAIN OUTCOME MEASURES: Five European experts in retinoblastoma imaging evaluated the MRI examinations regarding the presence of abnormal orbital gadolinium enhancement and judged them as "definitive tumor," "suspicious of tumor," "postsurgical condition/scar formation," or "without pathologic findings." The findings were correlated to histopathology (if available), MRI, and clinical follow-up. RESULTS: Abnormal orbital enhancement was a common finding after enucleation (100% in the first 3 months after enucleation, 64.3% >3 years after enucleation). All histopathologically confirmed tumor recurrences (3 of 55 orbits, 5.5%) were correctly judged as "definitive tumor" in MRI. Two orbits from 2 children rated as "suspicious of tumor" received intravenous chemotherapy without histopathologic confirmation; further follow-up (67 and 47 months) revealed no sign of tumor recurrence. In 90.2%, no tumor was suspected on MRI, which was clinically confirmed during follow-up (median follow-up after enucleation, 45 months; range, 8-126). CONCLUSIONS: High-resolution MRI with orbital surface coils may reliably distinguish between common postsurgical contrast enhancement and orbital tumor recurrence, and therefore may be a useful tool to evaluate orbital tumor recurrence after enucleation in children with retinoblastoma. We recommend high-resolution MRI as a potential screening tool for the orbit in children with retinoblastoma to exclude tumor recurrence, especially in high-risk patients within the critical first 2 years after enucleation.

Imaging polarimetry of the fogbow: polarization characteristics of white rainbows measured in the high Arctic

The knowledge on the optics of fogbows is scarce, and their polarization characteristics have never been measured to our knowledge. To fill this gap we measured the polarization features of 16 fogbows during the Beringia 2005 Arctic polar research expedition by imaging polarimetry in the red, green and blue spectral ranges. We present here the first polarization patterns of the fogbow. In the patterns of the degree of linear polarization p, fogbows and their supernumerary bows are best visible in the red spectral range due to the least dilution of fogbow light by light scattered in air. In the patterns of the angle of polarization α fogbows are practically not discernible because their α-pattern is the same as that of the sky: the direction of polarization is perpendicular to the plane of scattering and is parallel to the arc of the bow, independently of the wavelength. Fogbows and their supernumeraries were best seen in the patterns of the polarized radiance. In these patterns the angular distance δ between the peaks of the primary and the first supernumerary and the angular width σ of the primary bow were determined along different radii from the center of the bow. δ ranged between 6.08° and 13.41° , while σ changed from 5.25° to 19.47° . Certain fogbows were relatively homogeneous, meaning small variations of δ and σ along their bows. Other fogbows were heterogeneous, possessing quite variable δ- and σ-values along their bows. This variability could be a consequence of the characteristics of the high Arctic with open waters within the ice shield resulting in the spatiotemporal change of the droplet size within the fog

Striatal and extrastriatal dopamine D2/3 receptors studied with [11C]raclopride and high-resolution PET

The human striatum is a heterogeneous structure representing a major part of the dopamine (DA) system’s basal ganglia input and output. Positron emission tomography (PET) is a powerful tool for imaging DA neurotransmission. However, PET measurements suffer from bias caused by the low spatial resolution, especially when imaging small, D2/3 -rich structures such as the ventral striatum (VST). The brain dedicated high-resolution PET scanner, ECAT HRRT (Siemens Medical Solutions, Knoxville, TN, USA) has superior resolution capabilities than its predecessors. In the quantification of striatal D2/3 binding, the in vivo highly selective D2/3 antagonist [11C] raclopride is recognized as a well-validated tracer. The aim of this thesis was to use a traditional test-retest setting to evaluate the feasibility of utilizing the HRRT scanner for exploring not only small brain regions such as the VST but also low density D2/3 areas such as cortex. It was demonstrated that the measurement of striatal D2/3 binding was very reliable, even when studying small brain structures or prolonging the scanning interval. Furthermore, the cortical test-retest parameters displayed good to moderate reproducibility. For the first time in vivo, it was revealed that there are significant divergent rostrocaudal gradients of [11C]raclopride binding in striatal subregions. These results indicate that high-resolution [11C]raclopride PET is very reliable and its improved sensitivity means that it should be possible to detect the often very subtle changes occurring in DA transmission. Another major advantage is the possibility to measure simultaneously striatal and cortical areas. The divergent gradients of D2/3 binding may have functional significance and the average distribution binding could serve as the basis for a future database. Key words: dopamine, PET, HRRT, [11C]raclopride, striatum, VST, gradients, test-retest.

Anatomo-functional magnetic resonance imaging of the spinal cord and its application to the characterization of spinal lesions in cats

Les lésions de la moelle épinière ont un impact significatif sur la qualité de la vie car elles peuvent induire des déficits moteurs (paralysie) et sensoriels. Ces déficits évoluent dans le temps à mesure que le système nerveux central se réorganise, en impliquant des mécanismes physiologiques et neurochimiques encore mal connus. L'ampleur de ces déficits ainsi que le processus de réhabilitation dépendent fortement des voies anatomiques qui ont été altérées dans la moelle épinière. Il est donc crucial de pouvoir attester l'intégrité de la matière blanche après une lésion spinale et évaluer quantitativement l'état fonctionnel des neurones spinaux. Un grand intérêt de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est qu'elle permet d'imager de façon non invasive les propriétés fonctionnelles et anatomiques du système nerveux central. Le premier objectif de ce projet de thèse a été de développer l'IRM de diffusion afin d'évaluer l'intégrité des axones de la matière blanche après une lésion médullaire. Le deuxième objectif a été d'évaluer dans quelle mesure l'IRM fonctionnelle permet de mesurer l'activité des neurones de la moelle épinière. Bien que largement appliquées au cerveau, l'IRM de diffusion et l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière sont plus problématiques. Les difficultés associées à l'IRM de la moelle épinière relèvent de sa fine géométrie (environ 1 cm de diamètre chez l'humain), de la présence de mouvements d'origine physiologique (cardiaques et respiratoires) et de la présence d'artefacts de susceptibilité magnétique induits par les inhomogénéités de champ, notamment au niveau des disques intervertébraux et des poumons. L'objectif principal de cette thèse a donc été de développer des méthodes permettant de contourner ces difficultés. Ce développement a notamment reposé sur l'optimisation des paramètres d'acquisition d'images anatomiques, d'images pondérées en diffusion et de données fonctionnelles chez le chat et chez l'humain sur un IRM à 3 Tesla. En outre, diverses stratégies ont été étudiées afin de corriger les distorsions d'images induites par les artefacts de susceptibilité magnétique, et une étude a été menée sur la sensibilité et la spécificité de l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière. Les résultats de ces études démontrent la faisabilité d'acquérir des images pondérées en diffusion de haute qualité, et d'évaluer l'intégrité de voies spinales spécifiques après lésion complète et partielle. De plus, l'activité des neurones spinaux a pu être détectée par IRM fonctionnelle chez des chats anesthésiés. Bien qu'encourageants, ces résultats mettent en lumière la nécessité de développer davantage ces nouvelles techniques. L'existence d'un outil de neuroimagerie fiable et robuste, capable de confirmer les paramètres cliniques, permettrait d'améliorer le diagnostic et le pronostic chez les patients atteints de lésions médullaires. Un des enjeux majeurs serait de suivre et de valider l'effet de diverses stratégies thérapeutiques. De telles outils représentent un espoir immense pour nombre de personnes souffrant de traumatismes et de maladies neurodégénératives telles que les lésions de la moelle épinière, les tumeurs spinales, la sclérose en plaques et la sclérose latérale amyotrophique.

Study of the diffusion in polymer solutions and hydrogels by NMR spectroscopy and NMR imaging

Afin d'étudier la diffusion et la libération de molécules de tailles inférieures dans un gel polymère, les coefficients d'auto-diffusion d'une série de polymères en étoile avec un noyau d'acide cholique et quatre branches de poly(éthylène glycol) (PEG) ont été déterminés par spectroscopie RMN à gradient de champ pulsé dans des solutions aqueuses et des gels de poly(alcool vinylique). Les coefficients de diffusion obtenus ont été comparés avec ceux des PEGs linéaires et dendritiques pour étudier l'effet de l'architecture des polymères. Les polymères en étoile amphiphiles ont des profils de diffusion en fonction de la concentration similaires à leurs homologues linéaires dans le régime dilué. Ils diffusent plus lentement dans le régime semi-dilué en raison de leur noyau hydrophobe. Leurs conformations en solution ont été étudiées par des mesures de temps de relaxation spin-réseau T1 du noyau et des branches. L'imagerie RMN a été utilisée pour étudier le gonflement des comprimés polymères et la diffusion dans la matrice polymère. Les comprimés étaient constitués d'amidon à haute teneur en amylose et chargés avec de l'acétaminophène (de 10 à 40% en poids). Le gonflement des comprimés, ainsi que l'absorption et la diffusion de l'eau, augmentent avec la teneur en médicament, tandis que le pourcentage de libération du médicament est similaire pour tous les comprimés. Le gonflement in vitro des comprimés d'un complexe polyélectrolyte à base d'amidon carboxyméthylé et de chitosane a également été étudié par imagerie RMN. Ces comprimés sont sensibles au pH : ils gonflent beaucoup plus dans les milieux acides que dans les milieux neutres en raison de la dissociation des deux composants et de la protonation des chaînes du chitosane. La comparaison des résultats avec ceux d'amidon à haute teneur en amylose indique que les deux matrices ont des gonflements et des profils de libération du médicament semblables dans les milieux neutres, alors que les comprimés complexes gonflent plus dans les milieux acides en raison de la dissociation du chitosane et de l'amidon.

Analysis of the esophagogastric junction using the 3D high resolution manometry

Contexte & Objectifs : La manométrie perfusée conventionnelle et la manométrie haute résolution (HRM) ont permis le développement d’une variété de paramètres pour mieux comprendre la motilité de l'œsophage et quantifier les caractéristiques de la jonction œsophago-gastrique (JOG). Cependant, l'anatomie de la JOG est complexe et les enregistrements de manométrie détectent à la fois la pression des structures intrinsèques et des structures extrinsèques à l'œsophage. Ces différents composants ont des rôles distincts au niveau de la JOG. Les pressions dominantes ainsi détectées au niveau de la JOG sont attribuables au sphincter œsophagien inférieur (SOI) et aux piliers du diaphragme (CD), mais aucune des technologies manométriques actuelles n’est capable de distinguer ces différents composants de la JOG. Lorsqu’on analyse les caractéristiques de la JOG au repos, celle ci se comporte avant tout comme une barrière antireflux. Les paramètres manométriques les plus couramment utilisés dans ce but sont la longueur de la JOG et le point d’inversion respiratoire (RIP), défini comme le lieu où le pic de la courbe de pression inspiratoire change de positif (dans l’abdomen) à négatif (dans le thorax), lors de la classique manœuvre de « pull-through ». Cependant, l'importance de ces mesures reste marginale comme en témoigne une récente prise de position de l’American Gastroenterology Association Institute (AGAI) (1) qui concluait que « le rôle actuel de la manométrie dans le reflux gastro-œsophagien (RGO) est d'exclure les troubles moteurs comme cause des symptômes présentés par la patient ». Lors de la déglutition, la mesure objective de la relaxation de la JOG est la pression de relaxation intégrée (IRP), qui permet de faire la distinction entre une relaxation normale et une relaxation anormale de la JOG. Toutefois, puisque la HRM utilise des pressions moyennes à chaque niveau de capteurs, certaines études de manométrie laissent suggérer qu’il existe une zone de haute pression persistante au niveau de la JOG même si un transit est mis en évidence en vidéofluoroscopie. Récemment, la manométrie haute résolution « 3D » (3D-HRM) a été développée (Given Imaging, Duluth, GA) avec le potentiel de simplifier l'évaluation de la morphologie et de la physiologie de la JOG. Le segment « 3D » de ce cathéter de HRM permet l'enregistrement de la pression à la fois de façon axiale et radiale tout en maintenant une position fixe de la sonde, et évitant ainsi la manœuvre de « pull-through ». Par conséquent, la 3D-HRM devrait permettre la mesure de paramètres importants de la JOG tels que sa longueur et le RIP. Les données extraites de l'enregistrement fait par 3D-HRM permettraient également de différencier les signaux de pression attribuables au SOI des éléments qui l’entourent. De plus, l’enregistrement des pressions de façon radiaire permettrait d’enregistrer la pression minimale de chaque niveau de capteurs et devrait corriger cette zone de haute pression parfois persistante lors la déglutition. Ainsi, les objectifs de ce travail étaient: 1) de décrire la morphologie de la JOG au repos en tant que barrière antireflux, en comparant les mesures effectuées avec la 3D-HRM en temps réel, par rapport à celle simulées lors d’une manœuvre de « pull-through » et de déterminer quelles sont les signatures des pressions attribuables au SOI et au diaphragme; 2) d’évaluer la relaxation de la JOG pendant la déglutition en testant l'hypothèse selon laquelle la 3D-HRM permet le développement d’un nouveau paradigme (appelé « 3D eSleeve ») pour le calcul de l’IRP, fondé sur l’utilisation de la pression radiale minimale à chaque niveau de capteur de pression le long de la JOG. Ce nouveau paradigme sera comparé à une étude de transit en vidéofluoroscopie pour évaluer le gradient de pression à travers la JOG. Méthodes : Nous avons utilisé un cathéter 3D-HRM, qui incorpore un segment dit « 3D » de 9 cm au sein d’un cathéter HRM par ailleurs standard. Le segment 3D est composé de 12 niveaux (espacés de 7.5mm) de 8 capteurs de pression disposés radialement, soit un total de 96 capteurs. Neuf volontaires ont été étudiés au repos, où des enregistrements ont été effectués en temps réel et pendant une manœuvre de « pull-through » du segment 3D (mobilisation successive du cathéter de 5 mm, pour que le segment 3D se déplace le long de la JOG). Les mesures de la longueur du SOI et la détermination du RIP ont été réalisées. La longueur de la JOG a été mesurée lors du « pull-through » en utilisant 4 capteurs du segment 3D dispersés radialement et les marges de la JOG ont été définies par une augmentation de la pression de 2 mmHg par rapport à la pression gastrique ou de l’œsophage. Pour le calcul en temps réel, les limites distale et proximale de la JOG ont été définies par une augmentation de pression circonférentielle de 2 mmHg par rapport à la pression de l'estomac. Le RIP a été déterminée, A) dans le mode de tracé conventionnel avec la méthode du « pull-through » [le RIP est la valeur moyenne de 4 mesures] et B) en position fixe, dans le mode de représentation topographique de la pression de l’œsophage, en utilisant l’outil logiciel pour déterminer le point d'inversion de la pression (PIP). Pour l'étude de la relaxation de la JOG lors de la déglutition, 25 volontaires ont été étudiés et ont subi 3 études de manométrie (10 déglutitions de 5ml d’eau) en position couchée avec un cathéter HRM standard et un cathéter 3D-HRM. Avec la 3D-HRM, l’analyse a été effectuée une fois avec le segment 3D et une fois avec une partie non 3D du cathéter (capteurs standard de HRM). Ainsi, pour chaque individu, l'IRP a été calculée de quatre façons: 1) avec la méthode conventionnelle en utilisant le cathéter HRM standard, 2) avec la méthode conventionnelle en utilisant le segment standard du cathéter 3D-HRM, 3) avec la méthode conventionnelle en utilisant le segment « 3D » du cathéter 3D-HRM, et 4) avec le nouveau paradigme (3D eSleeve) qui recueille la pression minimale de chaque niveau de capteurs (segment 3D). Quatorze autres sujets ont subi une vidéofluoroscopie simultanée à l’étude de manométrie avec le cathéter 3D-HRM. Les données de pression ont été exportés vers MATLAB ™ et quatre pressions ont été mesurées simultanément : 1) la pression du corps de l’œsophage, 2cm au-dessus de la JOG, 2) la pression intragastrique, 3) la pression radiale moyenne de la JOG (pression du eSleeve) et 4) la pression de la JOG en utilisant la pression minimale de chaque niveau de capteurs (pression du 3D eSleeve). Ces données ont permis de déterminer le temps permissif d'écoulement du bolus (FPT), caractérisé par la période au cours de laquelle un gradient de pression existe à travers la JOG (pression œsophagienne > pression de relaxation de la JOG > pression gastrique). La présence ou l'absence du bolus en vidéofluoroscopie et le FPT ont été codés avec des valeurs dichotomiques pour chaque période de 0,1 s. Nous avons alors calculé la sensibilité et la spécificité correspondant à la valeur du FPT pour la pression du eSleeve et pour la pression du 3D eSleeve, avec la vidéofluoroscopie pour référence. Résultats : Les enregistrements avec la 3D-HRM laissent suggérer que la longueur du sphincter évaluée avec la méthode du « pull-through » était grandement exagéré en incorporant dans la mesure du SOI les signaux de pression extrinsèques à l’œsophage, asymétriques et attribuables aux piliers du diaphragme et aux structures vasculaires. L’enregistrement en temps réel a permis de constater que les principaux constituants de la pression de la JOG au repos étaient attribuables au diaphragme. L’IRP calculé avec le nouveau paradigme 3D eSleeve était significativement inférieur à tous les autres calculs d'IRP avec une limite supérieure de la normale de 12 mmHg contre 17 mmHg pour l’IRP calculé avec la HRM standard. La sensibilité (0,78) et la spécificité (0,88) du 3D eSleeve étaient meilleurs que le eSleeve standard (0,55 et 0,85 respectivement) pour prédire le FPT par rapport à la vidéofluoroscopie. Discussion et conclusion : Nos observations suggèrent que la 3D-HRM permet l'enregistrement en temps réel des attributs de la JOG, facilitant l'analyse des constituants responsables de sa fonction au repos en tant que barrière antireflux. La résolution spatiale axiale et radiale du segment « 3D » pourrait permettre de poursuivre cette étude pour quantifier les signaux de pression de la JOG attribuable au SOI et aux structures extrinsèques (diaphragme et artéfacts vasculaires). Ces attributs du cathéter 3D-HRM suggèrent qu'il s'agit d'un nouvel outil prometteur pour l'étude de la physiopathologie du RGO. Au cours de la déglutition, nous avons évalué la faisabilité d’améliorer la mesure de l’IRP en utilisant ce nouveau cathéter de manométrie 3D avec un nouveau paradigme (3D eSleeve) basé sur l’utilisation de la pression radiale minimale à chaque niveau de capteurs de pression. Nos résultats suggèrent que cette approche est plus précise que celle de la manométrie haute résolution standard. La 3D-HRM devrait certainement améliorer la précision des mesures de relaxation de la JOG et cela devrait avoir un impact sur la recherche pour modéliser la JOG au cours de la déglutition et dans le RGO.

Synergistic angular and spectral estimation of aerosol properties using CHRIS/PROBA-1 and simulated Sentinel-3~data

A method has been developed to estimate Aerosol Optical Depth (AOD), Fine Mode Fraction (FMF) and Single Scattering Albedo (SSA) over land surfaces using simulated Sentinel-3 data. The method uses inversion of a coupled surface/atmosphere radiative transfer model, and includes a general physical model of angular surface reflectance. An iterative process is used to determine the optimum value of the aerosol properties providing the best fit of the corrected reflectance values for a number of view angles and wavelengths with those provided by the physical model. A method of estimating AOD using only angular retrieval has previously been demonstrated on data from the ENVISAT and PROBA-1 satellite instruments, and is extended here to the synergistic spectral and angular sampling of Sentinel-3 and the additional aerosol properties. The method is tested using hyperspectral, multi-angle Compact High Resolution Imaging Spectrometer (CHRIS) images. The values obtained from these CHRIS observations are validated using ground based sun-photometer measurements. Results from 22 image sets using the synergistic retrieval and improved aerosol models show an RMSE of 0.06 in AOD, reduced to 0.03 over vegetated targets.

Synergistic angular and spectral estimation of aerosol properties using CHRIS/PROBA-1 and simulated Sentinel-3 data

We develop a method to derive aerosol properties over land surfaces using combined spectral and angular information, such as available from ESA Sentinel-3 mission, to be launched in 2015. A method of estimating aerosol optical depth (AOD) using only angular retrieval has previously been demonstrated on data from the ENVISAT and PROBA-1 satellite instruments, and is extended here to the synergistic spectral and angular sampling of Sentinel-3. The method aims to improve the estimation of AOD, and to explore the estimation of fine mode fraction (FMF) and single scattering albedo (SSA) over land surfaces by inversion of a coupled surface/atmosphere radiative transfer model. The surface model includes a general physical model of angular and spectral surface reflectance. An iterative process is used to determine the optimum value of the aerosol properties providing the best fit of the corrected reflectance values to the physical model. The method is tested using hyperspectral, multi-angle Compact High Resolution Imaging Spectrometer (CHRIS) images. The values obtained from these CHRIS observations are validated using ground-based sun photometer measurements. Results from 22 image sets using the synergistic retrieval and improved aerosol models show an RMSE of 0.06 in AOD, reduced to 0.03 over vegetated targets.

Texture analysis of high resolution MRI allows discrimination between febrile and afebrile initial precipitating injury in mesial temporal sclerosis

A computational pipeline combining texture analysis and pattern classification algorithms was developed for investigating associations between high-resolution MRI features and histological data. This methodology was tested in the study of dentate gyrus images of sclerotic hippocampi resected from refractory epilepsy patients. Images were acquired using a simple surface coil in a 3.0T MRI scanner. All specimens were subsequently submitted to histological semiquantitative evaluation. The computational pipeline was applied for classifying pixels according to: a) dentate gyrus histological parameters and b) patients' febrile or afebrile initial precipitating insult history. The pipeline results for febrile and afebrile patients achieved 70% classification accuracy, with 78% sensitivity and 80% specificity [area under the reader observer characteristics (ROC) curve: 0.89]. The analysis of the histological data alone was not sufficient to achieve significant power to separate febrile and afebrile groups. Interesting enough, the results from our approach did not show significant correlation with histological parameters (which per se were not enough to classify patient groups). These results showed the potential of adding computational texture analysis together with classification methods for detecting subtle MRI signal differences, a method sufficient to provide good clinical classification. A wide range of applications of this pipeline can also be used in other areas of medical imaging. Magn Reson Med, 2012. (c) 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Processing of high resolution magic angle spinning spectra of breast cancer cells by the filter diagonalization method

Proton nuclear magnetic resonance (H-1 NMR) spectroscopy for detection of biochemical changes in biological samples is a successful technique. However, the achieved NMR resolution is not sufficiently high when the analysis is performed with intact cells. To improve spectral resolution, high resolution magic angle spinning (HR-MAS) is used and the broad signals are separated by a T-2 filter based on the CPMG pulse sequence. Additionally, HR-MAS experiments with a T-2 filter are preceded by a water suppression procedure. The goal of this work is to demonstrate that the experimental procedures of water suppression and T-2 or diffusing filters are unnecessary steps when the filter diagonalization method (FDM) is used to process the time domain HR-MAS signals. Manipulation of the FDM results, represented as a tabular list of peak positions, widths, amplitudes and phases, allows the removal of water signals without the disturbing overlapping or nearby signals. Additionally, the FDM can also be used for phase correction and noise suppression, and to discriminate between sharp and broad lines. Results demonstrate the applicability of the FDM post-acquisition processing to obtain high quality HR-MAS spectra of heterogeneous biological materials.

A complete CMOS UWB timed-array transmitter with a 3D Vivaldi antenna array for electronic high-resolution beam spatial scanning

We present a new Ultra Wide Band (UWB) Timed- Array Transmitter System with Beamforming capability for high-resolution remote acquisition of vital signals. The system consists of four identical channels, where each is formed of a serial topology with three modules: programmable delay circuit (PDC or τ), a novel UWB 5th Gaussian Derivative order pulse generator circuit (PG), and a planar Vivaldi antenna. The circuit was designed using 0.18μm CMOS standard process and the planar antenna array was designed with filmconductor on Rogers RO3206 substrate. Spice simulations results showed the pulse generation with 104 mVpp amplitude and 500 ps width. The power consumption is 543 μW, and energy consumption 0.27 pJ per pulse using a 2V power supply at a pulse repetition rate (PRR) of 100 MHz. Electromagnetic simulations results, using CST Microwave (MW) Studio 2011, showed the main lobe radiation with a gain maximum of 13.2 dB, 35.5º x 36.7º angular width, and a beam steering between 17º and -11º for azimuthal (θ) angles and 17º and -18º for elevation (φ) angles at the center frequency of 6 GHz