Kaupallisen reaaliaikasimulointiohjelmiston mahdollisuudet mekatronisen konejärjestelmän tuotekehityksessä

Työn tavoitteena oli hankkia ja rakentaa kaupallisilla ohjelmistoilla ja laitteistoilla toteutettu reaaliaikasimulaattori. Työssä keskityttiin erityisesti valmiin Patu 655 puutavarakuormaimen simulointimallin visualisointiin reaaliaikasimulaattoriin hankitulla 3D-animointiohjelmalla. Lisäksi työssä selvitettiin reaaliaikasimuloinnin mahdollisuuksia konejärjestelmän tuotekehityksessä. Reaaliaikasimulaattorina käytettiin dSPACE:n reaaliaikasimulointiin valmistamia kaupallisia laitteita ja ohjelmia. Puutavarakuormaimen simulointimalli käännettiin simulaattorissa suoritettavaksi, jonka jälkeen mallin liikkeet visualisoitiin käyttämällä RealMotion 3D-animointiohjelmaa. Animoitu grafiikka tuotiin sekä AutoCAD- että ADAMS -ohjelmasta. Työn tuloksena saatiin hankittua reaaliaikasimulaattori, jonka havaittiin olevan toimiva kokonaisuus. Puutavarakuormaimen ja muiden simulointimallien automatisoitu kääntö simulaattoriin onnistui hyvin. Simulointimallien visualisointi toimi sujuvasti käytetyn 3D-animointiohjelman avulla. Konejärjestelmien tuotekehitysprosessia havaittiin voitavan nopeuttaa reaaliaikasimulaattorin avulla.

Visualisointiympariston suunnittelu

Diplomityossa kartoitetaan Visualisointiympäristön rakentamiseen ja toteuttamiseen soveltuvia tekniikoita. Kartoituksen perusteella laadittiin lista tarvittavista komponenteista Visualisointiympäristön toteuttamiseksi Lappeenrannan teknillisen yliopiston konetekniikan osastolle mekatroniikan ja virtuaalisuunnittelun laboratoriolle. Työssä tarkastellaan keinotodellisuuden ulottuvuuksia ja esitellään sen hyödyntämismahdollisuuksia eri aloilla nyt ja tulevaisuudessa. Keinotodellisuuteen liittyvät tekniikat eri toteuttamistapoineen esitellaan käyttäen esimerkkeinä tällä hetkellä markkinoilla olevia tuotteita. Lopuksi arvioitiin virtuaalitekniikan kehitystä ja sen merkitystä tulevaisuudessa. Tutkimus osoittaa, etta keinotodellisuudelle löytyy runsaasti sovelluksia eri aloilla, ja edullisen PC-tekniikan kehittyessä kustannukset laskevat jatkuvasti, jolloin vähitellen keinotodellisuus yleistyy.

Reconstruction of 3D Planar Objects with Partial Occlusion

Kolmiulotteisten kappaleiden rekonstruktio on yksi konenäön haastavimmista ongelmista, koska kappaleiden kolmiulotteisia etäisyyksiä ei voida selvittää yhdestä kaksiulotteisesta kuvasta. Ongelma voidaan ratkaista stereonäön avulla, jossa näkymän kolmiulotteinen rakenne päätellään usean kuvan perusteella. Tämä lähestymistapa mahdollistaa kuitenkin vain rekonstruktion niille kappaleiden osille, jotka näkyvät vähintään kahdessa kuvassa. Piilossa olevien osien rekonstruktio ei ole mahdollista pelkästään stereonäön avulla. Tässä työssä on kehitetty uusi menetelmä osittain piilossa olevien kolmiulotteisten tasomaisten kappaleiden rekonstruktioon. Menetelmän avulla voidaan selvittää hyvällä tarkkuudella tasomaisista pinnoista koostuvan kappaleen muoto ja paikka käyttäen kahta kuvaa kappaleesta. Menetelmä perustuu epipolaarigeometriaan, jonka avulla selvitetään molemmissa kuvissa näkyvät kappaleiden osat. Osittain piilossa olevien piirteiden rekonstruointi suoritetaan käyttämäen stereonäköä sekä tietoa kappaleen rakenteesta. Esitettyä ratkaisua voitaisiin käyttää esimerkiksi kolmiulotteisten kappaleiden visualisointiin, robotin navigointiin tai esineentunnistukseen.

Laajakaistaverkon topologian visualisointi

Viimeisten vuosien aikana laajakaistaoperaattoreiden laajakaistaverkot ovat nopeiden ja kiinteähintaisten laajakaistaliittymien johdosta kasvaneet suuriksi kokonaisuuksiksi. Kokonaisuuksia hallitaan erilaisilla verkonhallintatyökaluilla. Verkonhallintatyökalut sisältävät suuren määrän eri tasoista tietoa laitteista ja laitteiden välisistä suhteista. Kokonaisuuksien hahmottaminen ilman tiedoista rakennettua kuvaa on vaikeaa ja hidasta. Laajakaistaverkon topologian visualisoinnissa muodostetaan kuva laitteista ja niiden välisistä suhteista. Visualisoitua kuvaa voidaan käyttää osana verkonhallintatyökalua, jolloin käyttäjälle muodostuu nopeasti näkymä verkon laitteista ja rakenteesta eli topologiasta. Visualisoinnissa kuvan piirto-ongelma täytyy muuttaa graafin piirto-ongelmaksi. Graafin piirto-ongelmassa verkon rakennetta käsitellään graafina, joka mahdollistaa kuvan muodostamisen automaattisia piirtomenetelmiä hyväksikäyttäen. Halutunlainen ulkoasu kuvalle muodostetaan automaattisilla piirtomenetelmillä, joilla laitteiden ja laitteiden välisten suhteiden esitystapoja voidaan muuttaa. Esitystavoilla voidaan muuttaa esimerkiksi laitteiden muotoa, väriä ja kokoa. Esitystapojen lisäksi piirtomenetelmien tärkein tehtävä on laskea laitteiden sijaintien koordinaattien arvot, jotka loppujen lopuksi määräävät koko kuvan rakenteen. Koordinaattien arvot lasketaan piirtoalgoritmeilla, joista voimiin perustuvat algoritmit sopivat parhaiten laajakaistaverkkojen laitteiden sijaintien laskemiseen. Tämän diplomityön käytännön työssä toteutettiin laajakaistaverkon topologian visualisointityökalu.

Satamanosturin dynamiikan reaaliaikasimulointi

Työn tavoitteena oli mallintaa satamanosturin dynamiikkaa mahdollisimman tarkasti kuvaava yksinkertaistettu malli Simulink-ohjelmalla, jonka jälkeen malli käännettiin edelleen reaaliaikasimulaattorille soveltuvaan muotoon. Nosturin malli yksinkertaistettiin käsittämään kolme osaa: Nosturin rungon, nostovaunun ja kontin. Voimista mallinnettiin pyörien kontaktivoimat, köysivoimat sekä siirtovoima. Reaaliaikasimulaattorina käytettiin Opal-RT:n RT-LAB reaaliaikasimulointiohjelmistoa, sekä tavallisia PC-tietokoneita. Simulointiin liitettiin myös 3D-animaatio, jolla nosturin liikkeet saatiin visualisoitua. Animoitava grafiikka luotiin WorldUp-ohjelmistolla ja liitettiin RT-LAB-simulaatioon RT3D-rajapinnan ja WorldUp Player:n avulla. Työn tuloksena saatiin satamanosturin dynaamista käyttäytymistä kuvaava Simulink-malli, jota on mahdollista käyttää reaaliaikaisessa simuloinnissa. Mallia testattiin RT-LAB reaaliaikasimulaattorissa, ja simuloinnista saatuja tuloksia verrattiin Adams:lla simuloituihin tuloksiin. Saatujen tulosten perusteella mallia voidaan pitää onnistuneena. Myös RT-LAB reaaliaikasimulaattori visualisointeineen vaikuttaa toimivalta kokonaisuudelta.

Business IT Alignment from Business Model to Enterprise Architecture

In this paper, we show how business model modelling can be connected to IT infrastructure, drawing parallels from enterprise architecture models such as ArchiMate. We then show how the proposed visualization based on enterprise architecture, with a strong focus on business model strategy, can help IT alignment, at both the business model and the IT infrastructure level.

Heterosis in papaya: inter and intragroup analysis

Papaya (Carica papaya L.) is a typical crop of tropical areas, and Brazil is one of the leading world producers. In recent decades, papaya culture has expanded to different regions of the country, but the number of cultivars available is still limited. In the present study, a complete diallel cross was carried out using eight accessions of papaya from the UENF/Caliman germplasm bank. Four genotypes belong to the Formosa heterotic group and four, to the Solo group. This study aimed to evaluate the occurrence and viability of exploring heterosis in heterotic intragroup hybrids. Fifty-six hybrid progenies were generated and evaluated. Among the Formosa intragroup hybrids, two hybrid combinations (MR x J4 and MR x SK) showed heterosis for all traits, as well as good average total fruit production. Among the Solo intragroup hybrids, three hybrid combinations (WM x GG, WM x SS and WM x SM) stand out for fruit production and high content of soluble solids. In Formosa x Solo hybrids, all hybrid combinations with the parent JS (JS x WM, JS x GG, JS x SS and JS x SM) showed high fruit quality and good average for fruit production. The heterotic profile of the hybrids tested allowed the identification of promising hybrids within Formosa and Solo heterotic groups. The analysis of the canonical variables also allowed the visualization of distinct groups of hybrids, depending on the provenance of the parents.

Kolmiulotteinen visualisointi mikromaailman konenäköjärjestelmässä

Työssä oli tarkoituksena saada toteutettua kolmiulotteiseen visualisointiin soveltuva ohjelmisto mikrokokoluokkaa olevien kappaleiden konenäköjärjestelmään. Työssä jouduttiin myös jatkokehittämään menetelmää kolmiulotteisen kuvan hankkimiseksi yhdellä kameralla mikrokokoisesta kohteesta. Kohteen kolmiulotteisella kuvalla voitaisiin suorittaa automaattista järjestelmäohjausta. Työssä tutkittiin ja selvitettiin laitteistolla saavutettavia tarkkuuksia ja nopeuksia, sen soveltamiseksi esimerkiksi mikromanipulaattorin ohjaamiseen. Lisäksi tutkittiin erilaisia kohteita joissa voitaisiin hyödyntää kolmiulotteista visualisointia. Tällaisia kohteita on kappaleiden laadunvalvonnassa tai niiden tutkimisessa ja esittämisessä. Syvyystiedon keräävällä menetelmällä oli saavutettava riittävä nopeus, jotta sillä voitaisiin tarvittaessa ohjata reaaliaikaisesti toimilaitteita. Menetelmänä käytettiin "Depth from Focusing" -menetelmää, johon VTT:llä oli jo aiemmin kehitetty automaattinen fokusointiohjelmisto. Työn puitteissa suoritettiin laitteisto- ja menetelmäkehitystä järjestelmän nopeuttamiseksi. Visualisoinnin toteuttamisen eri mahdollisuuksia kartoitettiin ja sellainen toteutettiin rakennettuun konenäköjärjestelmään.

Standardized evaluation methodology and reference database for evaluating IVUS image segmentation

This paper describes an evaluation framework that allows a standardized and quantitative comparison of IVUS lumen and media segmentation algorithms. This framework has been introduced at the MICCAI 2011 Computing and Visualization for (Intra)Vascular Imaging (CVII) workshop, comparing the results of eight teams that participated. We describe the available data-base comprising of multi-center, multi-vendor and multi-frequency IVUS datasets, their acquisition, the creation of the reference standard and the evaluation measures. The approaches address segmentation of the lumen, the media, or both borders; semi- or fully-automatic operation; and 2-D vs. 3-D methodology. Three performance measures for quantitative analysis have been proposed. The results of the evaluation indicate that segmentation of the vessel lumen and media is possible with an accuracy that is comparable to manual annotation when semi-automatic methods are used, as well as encouraging results can be obtained also in case of fully-automatic segmentation. The analysis performed in this paper also highlights the challenges in IVUS segmentation that remains to be solved.

Development of the Simulation Environment for the Mobile Phone User Interfaces

Diplomityössä käsitellään Nokia Mobile Phonesin matkapuhelimien käyttöliittymäohjelmistojen suunnittelu-ja testausympäristön kehitystä. Ympäristöön lisättiin kaksi ohjelmistomodulia avustamaan simulointia ja versionhallintaa. Visualisointityökalulla matkapuhelimen toiminta voidaan jäljittää suunnittelu- kaavioihin tilasiirtyminä, kun taas vertailusovelluksella kaavioiden väliset erot nähdään graafisesti. Kehitetyt sovellukset parantavat käyttöliittymien suunnitteluprosessia tehostaen virheiden etsintää, optimointia ja versionhallintaa. Visualisointityökalun edut ovat merkittävät, koska käyttöliittymäsovellusten toiminta on havaittavissa suunnittelu- kaavioista reaaliaikaisen simuloinnin yhteydessä. Näin virheet ovat välittömästi paikannettavissa. Lisäksi työkalua voidaan hyödyntää kaavioita optimoitaessa, jolloin sovellusten kokoja muistintarve pienenee. Graafinen vertailutyökalu tuo edun rinnakkaiseen ohjelmistosuunnitteluun. Eri versioisten suunnittelukaavioiden erot ovat nähtävissä suoraan kaaviosta manuaalisen vertailun sijaan. Molemmat työkalut otettiin onnistuneesti käyttöön NMP:llä vuoden 2001 alussa.

Development of cardiovascular magnetic resonance imaging techniques for improved characterization of atherosclerotic disease

Atherosclerosis is a chronic cardiovascular disease that involves the thicken¬ing of the artery walls as well as the formation of plaques (lesions) causing the narrowing of the lumens, in vessels such as the aorta, the coronary and the carotid arteries. Magnetic resonance imaging (MRI) is a promising modality for the assessment of atherosclerosis, as it is a non-invasive and patient-friendly procedure that does not use ionizing radiation. MRI offers high soft tissue con¬trast already without the need of intravenous contrast media; while modifica¬tion of the MR pulse sequences allows for further adjustment of the contrast for specific diagnostic needs. As such, MRI can create angiographic images of the vessel lumens to assess stenoses at the late stage of the disease, as well as blood flow-suppressed images for the early investigation of the vessel wall and the characterization of the atherosclerotic plaques. However, despite the great technical progress that occurred over the past two decades, MRI is intrinsically a low sensitive technique and some limitations still exist in terms of accuracy and performance. A major challenge for coronary artery imaging is respiratory motion. State- of-the-art diaphragmatic navigators rely on an indirect measure of motion, per¬form a ID correction, and have long and unpredictable scan time. In response, self-navigation (SM) strategies have recently been introduced that offer 100% scan efficiency and increased ease of use. SN detects respiratory motion di¬rectly from the image data obtained at the level of the heart, and retrospectively corrects the same data before final image reconstruction. Thus, SN holds po-tential for multi-dimensional motion compensation. To this regard, this thesis presents novel SN methods that estimate 2D and 3D motion parameters from aliased sub-images that are obtained from the same raw data composing the final image. Combination of all corrected sub-images produces a final image with reduced motion artifacts for the visualization of the coronaries. The first study (section 2.2, 2D Self-Navigation with Compressed Sensing) consists of a method for 2D translational motion compensation. Here, the use of com- pressed sensing (CS) reconstruction is proposed and investigated to support motion detection by reducing aliasing artifacts. In healthy human subjects, CS demonstrated an improvement in motion detection accuracy with simula¬tions on in vivo data, while improved coronary artery visualization was demon¬strated on in vivo free-breathing acquisitions. However, the motion of the heart induced by respiration has been shown to occur in three dimensions and to be more complex than a simple translation. Therefore, the second study (section 2.3,3D Self-Navigation) consists of a method for 3D affine motion correction rather than 2D only. Here, different techniques were adopted to reduce background signal contribution in respiratory motion tracking, as this can be adversely affected by the static tissue that surrounds the heart. The proposed method demonstrated to improve conspicuity and vi¬sualization of coronary arteries in healthy and cardiovascular disease patient cohorts in comparison to a conventional ID SN method. In the third study (section 2.4, 3D Self-Navigation with Compressed Sensing), the same tracking methods were used to obtain sub-images sorted according to the respiratory position. Then, instead of motion correction, a compressed sensing reconstruction was performed on all sorted sub-image data. This process ex¬ploits the consistency of the sorted data to reduce aliasing artifacts such that the sub-image corresponding to the end-expiratory phase can directly be used to visualize the coronaries. In a healthy volunteer cohort, this strategy improved conspicuity and visualization of the coronary arteries when compared to a con¬ventional ID SN method. For the visualization of the vessel wall and atherosclerotic plaques, the state- of-the-art dual inversion recovery (DIR) technique is able to suppress the signal coming from flowing blood and provide positive wall-lumen contrast. How¬ever, optimal contrast may be difficult to obtain and is subject to RR variability. Furthermore, DIR imaging is time-inefficient and multislice acquisitions may lead to prolonged scanning times. In response and as a fourth study of this thesis (chapter 3, Vessel Wall MRI of the Carotid Arteries), a phase-sensitive DIR method has been implemented and tested in the carotid arteries of a healthy volunteer cohort. By exploiting the phase information of images acquired after DIR, the proposed phase-sensitive method enhances wall-lumen contrast while widens the window of opportunity for image acquisition. As a result, a 3-fold increase in volumetric coverage is obtained at no extra cost in scanning time, while image quality is improved. In conclusion, this thesis presented novel methods to address some of the main challenges for MRI of atherosclerosis: the suppression of motion and flow artifacts for improved visualization of vessel lumens, walls and plaques. Such methods showed to significantly improve image quality in human healthy sub¬jects, as well as scan efficiency and ease-of-use of MRI. Extensive validation is now warranted in patient populations to ascertain their diagnostic perfor¬mance. Eventually, these methods may bring the use of atherosclerosis MRI closer to the clinical practice. Résumé L'athérosclérose est une maladie cardiovasculaire chronique qui implique le épaississement de la paroi des artères, ainsi que la formation de plaques (lé¬sions) provoquant le rétrécissement des lumières, dans des vaisseaux tels que l'aorte, les coronaires et les artères carotides. L'imagerie par résonance magné¬tique (IRM) est une modalité prometteuse pour l'évaluation de l'athérosclérose, car il s'agit d'une procédure non-invasive et conviviale pour les patients, qui n'utilise pas des rayonnements ionisants. L'IRM offre un contraste des tissus mous très élevé sans avoir besoin de médias de contraste intraveineux, tan¬dis que la modification des séquences d'impulsions de RM permet en outre le réglage du contraste pour des besoins diagnostiques spécifiques. À ce titre, l'IRM peut créer des images angiographiques des lumières des vaisseaux pour évaluer les sténoses à la fin du stade de la maladie, ainsi que des images avec suppression du flux sanguin pour une première enquête des parois des vais¬seaux et une caractérisation des plaques d'athérosclérose. Cependant, malgré les grands progrès techniques qui ont eu lieu au cours des deux dernières dé¬cennies, l'IRM est une technique peu sensible et certaines limitations existent encore en termes de précision et de performance. Un des principaux défis pour l'imagerie de l'artère coronaire est le mou¬vement respiratoire. Les navigateurs diaphragmatiques de pointe comptent sur une mesure indirecte de mouvement, effectuent une correction 1D, et ont un temps d'acquisition long et imprévisible. En réponse, les stratégies d'auto- navigation (self-navigation: SN) ont été introduites récemment et offrent 100% d'efficacité d'acquisition et une meilleure facilité d'utilisation. Les SN détectent le mouvement respiratoire directement à partir des données brutes de l'image obtenue au niveau du coeur, et rétrospectivement corrigent ces mêmes données avant la reconstruction finale de l'image. Ainsi, les SN détiennent un poten¬tiel pour une compensation multidimensionnelle du mouvement. A cet égard, cette thèse présente de nouvelles méthodes SN qui estiment les paramètres de mouvement 2D et 3D à partir de sous-images qui sont obtenues à partir des mêmes données brutes qui composent l'image finale. La combinaison de toutes les sous-images corrigées produit une image finale pour la visualisation des coronaires ou les artefacts du mouvement sont réduits. La première étude (section 2.2,2D Self-Navigation with Compressed Sensing) traite d'une méthode pour une compensation 2D de mouvement de translation. Ici, on étudie l'utilisation de la reconstruction d'acquisition comprimée (compressed sensing: CS) pour soutenir la détection de mouvement en réduisant les artefacts de sous-échantillonnage. Chez des sujets humains sains, CS a démontré une amélioration de la précision de la détection de mouvement avec des simula¬tions sur des données in vivo, tandis que la visualisation de l'artère coronaire sur des acquisitions de respiration libre in vivo a aussi été améliorée. Pourtant, le mouvement du coeur induite par la respiration se produit en trois dimensions et il est plus complexe qu'un simple déplacement. Par conséquent, la deuxième étude (section 2.3, 3D Self-Navigation) traite d'une méthode de cor¬rection du mouvement 3D plutôt que 2D uniquement. Ici, différentes tech¬niques ont été adoptées pour réduire la contribution du signal du fond dans le suivi de mouvement respiratoire, qui peut être influencé négativement par le tissu statique qui entoure le coeur. La méthode proposée a démontré une amélioration, par rapport à la procédure classique SN de correction 1D, de la visualisation des artères coronaires dans le groupe de sujets sains et des pa¬tients avec maladies cardio-vasculaires. Dans la troisième étude (section 2.4,3D Self-Navigation with Compressed Sensing), les mêmes méthodes de suivi ont été utilisées pour obtenir des sous-images triées selon la position respiratoire. Au lieu de la correction du mouvement, une reconstruction de CS a été réalisée sur toutes les sous-images triées. Cette procédure exploite la cohérence des données pour réduire les artefacts de sous- échantillonnage de telle sorte que la sous-image correspondant à la phase de fin d'expiration peut directement être utilisée pour visualiser les coronaires. Dans un échantillon de volontaires en bonne santé, cette stratégie a amélioré la netteté et la visualisation des artères coronaires par rapport à une méthode classique SN ID. Pour la visualisation des parois des vaisseaux et de plaques d'athérosclérose, la technique de pointe avec double récupération d'inversion (DIR) est capa¬ble de supprimer le signal provenant du sang et de fournir un contraste posi¬tif entre la paroi et la lumière. Pourtant, il est difficile d'obtenir un contraste optimal car cela est soumis à la variabilité du rythme cardiaque. Par ailleurs, l'imagerie DIR est inefficace du point de vue du temps et les acquisitions "mul- tislice" peuvent conduire à des temps de scan prolongés. En réponse à ce prob¬lème et comme quatrième étude de cette thèse (chapitre 3, Vessel Wall MRI of the Carotid Arteries), une méthode de DIR phase-sensitive a été implémenté et testé

Cardiovascular magnetic resonance imaging techniques for motion-suppressed multi-dimensional coronary artery imaging with high spatial and temporal resolution

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) peut fournir aux cardiologues des informations diagnostiques importantes sur l'état de la maladie de l'artère coronarienne dans les patients. Le défi majeur pour l'IRM cardiaque est de gérer toutes les sources de mouvement qui peuvent affecter la qualité des images en réduisant l'information diagnostique. Cette thèse a donc comme but de développer des nouvelles techniques d'acquisitions des images IRM, en changeant les techniques de compensation du mouvement, pour en augmenter l'efficacité, la flexibilité, la robustesse et pour obtenir plus d'information sur le tissu et plus d'information temporelle. Les techniques proposées favorisent donc l'avancement de l'imagerie des coronaires dans une direction plus maniable et multi-usage qui peut facilement être transférée dans l'environnement clinique. La première partie de la thèse s'est concentrée sur l'étude du mouvement des artères coronariennes sur des patients en utilisant la techniques d'imagerie standard (rayons x), pour mesurer la précision avec laquelle les artères coronariennes retournent dans la même position battement après battement (repositionnement des coronaires). Nous avons découvert qu'il y a des intervalles dans le cycle cardiaque, tôt dans la systole et à moitié de la diastole, où le repositionnement des coronaires est au minimum. En réponse nous avons développé une nouvelle séquence d'acquisition (T2-post) capable d'acquérir les données aussi tôt dans la systole. Cette séquence a été testée sur des volontaires sains et on a pu constater que la qualité de visualisation des artère coronariennes est égale à celle obtenue avec les techniques standard. De plus, le rapport signal sur bruit fourni par la séquence d'acquisition proposée est supérieur à celui obtenu avec les techniques d'imagerie standard. La deuxième partie de la thèse a exploré un paradigme d'acquisition des images cardiaques complètement nouveau pour l'imagerie du coeur entier. La technique proposée dans ce travail acquiert les données sans arrêt (free-running) au lieu d'être synchronisée avec le mouvement cardiaque. De cette façon, l'efficacité de la séquence d'acquisition est augmentée de manière significative et les images produites représentent le coeur entier dans toutes les phases cardiaques (quatre dimensions, 4D). Par ailleurs, l'auto-navigation de la respiration permet d'effectuer cette acquisition en respiration libre. Cette technologie rend possible de visualiser et évaluer l'anatomie du coeur et de ses vaisseaux ainsi que la fonction cardiaque en quatre dimensions et avec une très haute résolution spatiale et temporelle, sans la nécessité d'injecter un moyen de contraste. Le pas essentiel qui a permis le développement de cette technique est l'utilisation d'une trajectoire d'acquisition radiale 3D basée sur l'angle d'or. Avec cette trajectoire, il est possible d'acquérir continûment les données d'espace k, puis de réordonner les données et choisir les paramètres temporel des images 4D a posteriori. L'acquisition 4D a été aussi couplée avec un algorithme de reconstructions itératif (compressed sensing) qui permet d'augmenter la résolution temporelle tout en augmentant la qualité des images. Grâce aux images 4D, il est possible maintenant de visualiser les artères coronariennes entières dans chaque phase du cycle cardiaque et, avec les mêmes données, de visualiser et mesurer la fonction cardiaque. La qualité des artères coronariennes dans les images 4D est la même que dans les images obtenues avec une acquisition 3D standard, acquise en diastole Par ailleurs, les valeurs de fonction cardiaque mesurées au moyen des images 4D concorde avec les valeurs obtenues avec les images 2D standard. Finalement, dans la dernière partie de la thèse une technique d'acquisition a temps d'écho ultra-court (UTE) a été développée pour la visualisation in vivo des calcifications des artères coronariennes. Des études récentes ont démontré que les acquisitions UTE permettent de visualiser les calcifications dans des plaques athérosclérotiques ex vivo. Cepandent le mouvement du coeur a entravé jusqu'à maintenant l'utilisation des techniques UTE in vivo. Pour résoudre ce problème nous avons développé une séquence d'acquisition UTE avec trajectoire radiale 3D et l'avons testée sur des volontaires. La technique proposée utilise une auto-navigation 3D pour corriger le mouvement respiratoire et est synchronisée avec l'ECG. Trois échos sont acquis pour extraire le signal de la calcification avec des composants au T2 très court tout en permettant de séparer le signal de la graisse depuis le signal de l'eau. Les résultats sont encore préliminaires mais on peut affirmer que la technique développé peut potentiellement montrer les calcifications des artères coronariennes in vivo. En conclusion, ce travail de thèse présente trois nouvelles techniques pour l'IRM du coeur entier capables d'améliorer la visualisation et la caractérisation de la maladie athérosclérotique des coronaires. Ces techniques fournissent des informations anatomiques et fonctionnelles en quatre dimensions et des informations sur la composition du tissu auparavant indisponibles. CORONARY artery magnetic resonance imaging (MRI) has the potential to provide the cardiologist with relevant diagnostic information relative to coronary artery disease of patients. The major challenge of cardiac MRI, though, is dealing with all sources of motions that can corrupt the images affecting the diagnostic information provided. The current thesis, thus, focused on the development of new MRI techniques that change the standard approach to cardiac motion compensation in order to increase the efficiency of cardioavscular MRI, to provide more flexibility and robustness, new temporal information and new tissue information. The proposed approaches help in advancing coronary magnetic resonance angiography (MRA) in the direction of an easy-to-use and multipurpose tool that can be translated to the clinical environment. The first part of the thesis focused on the study of coronary artery motion through gold standard imaging techniques (x-ray angiography) in patients, in order to measure the precision with which the coronary arteries assume the same position beat after beat (coronary artery repositioning). We learned that intervals with minimal coronary artery repositioning occur in peak systole and in mid diastole and we responded with a new pulse sequence (T2~post) that is able to provide peak-systolic imaging. Such a sequence was tested in healthy volunteers and, from the image quality comparison, we learned that the proposed approach provides coronary artery visualization and contrast-to-noise ratio (CNR) comparable with the standard acquisition approach, but with increased signal-to-noise ratio (SNR). The second part of the thesis explored a completely new paradigm for whole- heart cardiovascular MRI. The proposed techniques acquires the data continuously (free-running), instead of being triggered, thus increasing the efficiency of the acquisition and providing four dimensional images of the whole heart, while respiratory self navigation allows for the scan to be performed in free breathing. This enabling technology allows for anatomical and functional evaluation in four dimensions, with high spatial and temporal resolution and without the need for contrast agent injection. The enabling step is the use of a golden-angle based 3D radial trajectory, which allows for a continuous sampling of the k-space and a retrospective selection of the timing parameters of the reconstructed dataset. The free-running 4D acquisition was then combined with a compressed sensing reconstruction algorithm that further increases the temporal resolution of the 4D dataset, while at the same time increasing the overall image quality by removing undersampling artifacts. The obtained 4D images provide visualization of the whole coronary artery tree in each phases of the cardiac cycle and, at the same time, allow for the assessment of the cardiac function with a single free- breathing scan. The quality of the coronary arteries provided by the frames of the free-running 4D acquisition is in line with the one obtained with the standard ECG-triggered one, and the cardiac function evaluation matched the one measured with gold-standard stack of 2D cine approaches. Finally, the last part of the thesis focused on the development of ultrashort echo time (UTE) acquisition scheme for in vivo detection of calcification in the coronary arteries. Recent studies showed that UTE imaging allows for the coronary artery plaque calcification ex vivo, since it is able to detect the short T2 components of the calcification. The heart motion, though, prevented this technique from being applied in vivo. An ECG-triggered self-navigated 3D radial triple- echo UTE acquisition has then been developed and tested in healthy volunteers. The proposed sequence combines a 3D self-navigation approach with a 3D radial UTE acquisition enabling data collection during free breathing. Three echoes are simultaneously acquired to extract the short T2 components of the calcification while a water and fat separation technique allows for proper visualization of the coronary arteries. Even though the results are still preliminary, the proposed sequence showed great potential for the in vivo visualization of coronary artery calcification. In conclusion, the thesis presents three novel MRI approaches aimed at improved characterization and assessment of atherosclerotic coronary artery disease. These approaches provide new anatomical and functional information in four dimensions, and support tissue characterization for coronary artery plaques.

Ultra-high-resolution 3D imaging of atherosclerosis in mice with synchrotron differential phase contrast: a proof of concept study.

The goal of this study was to investigate the performance of 3D synchrotron differential phase contrast (DPC) imaging for the visualization of both macroscopic and microscopic aspects of atherosclerosis in the mouse vasculature ex vivo. The hearts and aortas of 2 atherosclerotic and 2 wild-type control mice were scanned with DPC imaging with an isotropic resolution of 15 μm. The coronary artery vessel walls were segmented in the DPC datasets to assess their thickness, and histological staining was performed at the level of atherosclerotic plaques. The DPC imaging allowed for the visualization of complex structures such as the coronary arteries and their branches, the thin fibrous cap of atherosclerotic plaques as well as the chordae tendineae. The coronary vessel wall thickness ranged from 37.4 ± 5.6 μm in proximal coronary arteries to 13.6 ± 3.3 μm in distal branches. No consistent differences in coronary vessel wall thickness were detected between the wild-type and atherosclerotic hearts in this proof-of-concept study, although the standard deviation in the atherosclerotic mice was higher in most segments, consistent with the observation of occasional focal vessel wall thickening. Overall, DPC imaging of the cardiovascular system of the mice allowed for a simultaneous detailed 3D morphological assessment of both large structures and microscopic details.

Fluoroscopic-Guided Radial Endobronchial Ultrasound Without Guide Sheath For Peripheral Pulmonary Lesions: A Safe And Efficient Combination.

BACKGROUND: Several guidelines recommend computed tomography scans for populations with high-risk for lung cancer. The number of individuals evaluated for peripheral pulmonary lesions (PPL) will probably increase, and with it non-surgical biopsies. Associating a guidance method with a target confirmation technique has been shown to achieve the highest diagnostic yield, but the utility of bronchoscopy with radial probe endobronchial ultrasound using fluoroscopy as guidance without a guide sheath has not been reported. METHODS: We conducted a retrospective analysis of bronchoscopy with radial probe endobronchial ultrasound using fluoroscopy procedures for the investigation of PPL performed by experienced bronchoscopists with no specific previous training in this particular technique. Operator learning curves and radiological predictors were assessed for all consecutive patients examined during the first year of application of the technique. RESULTS: Fifty-one PPL were investigated. Diagnostic yield and visualization yield were 72.5 and 82.3% respectively. The diagnostic yield was 64.0% for PPL ≤20mm, and 80.8% for PPL>20mm. No false-positive results were recorded. The learning curve of all diagnostic tools showed a DY of 72.7% for the first sub-group of patients, 81.8% for the second, 72.7% for the third, and 81.8% for the last. CONCLUSION: Bronchoscopy with radial probe endobronchial ultrasound using fluoroscopy as guidance is safe and simple to perform, even without specific prior training, and diagnostic yield is high for PPL>and ≤20mm. Based on these findings, this method could be introduced as a first-line procedure for the investigation of PPL, particularly in centers with limited resources.

The AirView Study: Comparison of Intubation Conditions and Ease between the Airtraq-AirView and the King Vision.

We conducted a study assessing the quality and speed of intubation between the Airtraq with its new iPhone AirView app and the King Vision in a manikin. The primary endpoint was reduction of time needed for intubation. Secondary endpoints included times necessary for intubation. 30 anaesthetists randomly performed 3 intubations with each device on a difficult airway manikin. Participants had a professional experience of 12 years: 60.0% possessed the Airtraq in their hospital, 46.7% the King Vision, and 20.0% both. Median time difference [IQR] to identify glottis (1.1 [-1.3; 3.9] P = 0.019), for tube insertion (2.1 [-2.6; 9.4] P = 0.002) and lung ventilation (2.8 [-2.4; 11.5] P = 0.001), was shorter with the Airtraq-AirView. Median time for glottis visualization was significantly shorter with the Airtraq-AirView (5.3 [4.0; 8.4] versus 6.4 [4.6; 9.1]). Cormack Lehane before intubation was better with the King Vision (P = 0.03); no difference was noted during intubation, for subjective device insertion or quality of epiglottis visualisation. Assessment of tracheal tube insertion was better with the Airtraq-AirView. The Airtraq-AirView allows faster identification of the landmarks and intubation in a difficult airway manikin, while clinical relevance remains to be studied. Anaesthetists assessed the intubation better with the Airtraq-AirView.