Investigation of ultrasonic properties of PAG and MAGIC polymer gel dosimeters

Ultrasonic speed of propagation and attenuation were investigated as a function of absorbed radiation dose in PAG and MAGIC polymer gel dosimeters. Both PAG and MAGIC gel dosimeters displayed a dependence of ultrasonic parameters on absorbed dose with attenuation displaying significant changes in the dose range investigated. The ultrasonic attenuation dose sensitivity at 4 MHz in MAGIC gels was determined to be 4.7 +/- 0.3 dB m(-1) Gy(-1) and for PAG 3.9 +/- 0.3 dB m(-1) Gy(-1). Ultrasonic speed dose sensitivities were 0.178 +/- 0.006 m s(-1) Gy(-1) for MAGIC gel and -0.44 +/- 0.02 m s(-1) Gy(-1) for PAG. Density and compressional elastic modulus were investigated to explain the different sensitivities of ultrasonic speed to radiation for PAG and MAGIC gels. The different sensitivities were found to be due to differences in the compressional elastic modulus as a function of dose for the two formulations. To understand the physical phenomena underlying the increase in ultrasonic attenuation with dose, the viscoelastic properties of the gels were studied. Results suggest that at ultrasonic frequencies, attenuation in polymer gel dosimeters is primarily due to volume viscosity. It is concluded that ultrasonic attenuation significantly increases with absorbed dose. Also, the ultrasonic speed in polymer gel dosimeters is affected by changes in dosimeter elastic modulus that are likely to be a result of polymerization. It is suggested that ultrasound is a sufficiently sensitive technique for polymer gel dosimetry.

MR image-based measurement of rates of change in volumes of brain structures. Part 1: Method and validation

A detailed analysis procedure is described for evaluating rates of volumetric change in brain structures based on structural magnetic resonance (MR) images. In this procedure, a series of image processing tools have been employed to address the problems encountered in measuring rates of change based on structural MR images. These tools include an algorithm for intensity non-uniforniity correction, a robust algorithm for three-dimensional image registration with sub-voxel precision and an algorithm for brain tissue segmentation. However, a unique feature in the procedure is the use of a fractional volume model that has been developed to provide a quantitative measure for the partial volume effect. With this model, the fractional constituent tissue volumes are evaluated for voxels at the tissue boundary that manifest partial volume effect, thus allowing tissue boundaries be defined at a sub-voxel level and in an automated fashion. Validation studies are presented on key algorithms including segmentation and registration. An overall assessment of the method is provided through the evaluation of the rates of brain atrophy in a group of normal elderly subjects for which the rate of brain atrophy due to normal aging is predictably small. An application of the method is given in Part 11 where the rates of brain atrophy in various brain regions are studied in relation to normal aging and Alzheimer's disease. (C) 2002 Elsevier Science Inc. All rights reserved.

Finite difference time domain (FDTD) method for modeling the effect of switched gradients on the human body in MRI

Numerical modeling of the eddy currents induced in the human body by the pulsed field gradients in MRI presents a difficult computational problem. It requires an efficient and accurate computational method for high spatial resolution analyses with a relatively low input frequency. In this article, a new technique is described which allows the finite difference time domain (FDTD) method to be efficiently applied over a very large frequency range, including low frequencies. This is not the case in conventional FDTD-based methods. A method of implementing streamline gradients in FDTD is presented, as well as comparative analyses which show that the correct source injection in the FDTD simulation plays a crucial rule in obtaining accurate solutions. In particular, making use of the derivative of the input source waveform is shown to provide distinct benefits in accuracy over direct source injection. In the method, no alterations to the properties of either the source or the transmission media are required. The method is essentially frequency independent and the source injection method has been verified against examples with analytical solutions. Results are presented showing the spatial distribution of gradient-induced electric fields and eddy currents in a complete body model.

Rapid field calculations for the effect of ferromagnetic material in MRI magnet design

Magnetic resonance imaging (MRI) magnets have very stringent constraints on the homogeneity of the static magnetic field that they generate over desired imaging regions. The magnet system also preferably generates very little stray field external to its structure, so that ease of siting and safety are assured. This work concentrates on deriving, means of rapidly computing the effect of 'cold' and 'warm' ferromagnetic material in or around the superconducting magnet system, so as to facilitate the automated design of hybrid material MR magnets. A complete scheme for the direct calculation of the spherical harmonics of the magnetic field generated by a circular ring of ferromagnetic material is derived under the conditions of arbitrary external magnetizing fields. The magnetic field produced by the superconducting coils in the system is computed using previously developed methods. The final, hybrid algorithm is fast enough for use in large-scale optimization methods. The resultant fields from a practical example of a 4 T, clinical MRI magnet containing both superconducting coils and magnetic material are presented.

Winding patterns for actively shielded shim coils with asymmetric target-fields

A method is presented for calculating the currents and winding patterns required to design independent zonal and tesseral shim coils for magnetic resonance imaging. Both actively shielded and unshielded configurations are considered, and the region of interest can be located asymmetrically with respect to the coil's length. Streamline, target-field and Fourier-series methods are utilized. The desired target-field is specified at two cylindrical radii, on and inside a circular conducting cylinder of length 2L and radius a. The specification is over some asymmetric portion pL < z < qL of the coil's length (-1 < p < q < 1). Arbitrary functions are used in the outer sections, -L < z < pL and qL < z < L, to ensure continuity of the magnetic field across the entire length of the coil. The entire field is then periodically extended as a half-range cosine Fourier series about either end of the coil. The resultant Fourier coefficients are then substituted into the Fourier-series expressions for the internal and external magnetic fields, and current densities and stream functions on both the primary coil and shield. A contour plot of the stream function directly gives the required coil winding patterns. Spherical harmonic analysis and shielding analysis on field calculations from a ZX shim coil indicate that example designs and theory are well matched.

Influence of magnetically-induced E-fields on cardiac electric activity during MRI: A modeling study

In modern magnetic resonance imaging (MRI), patients are exposed to strong, time-varying gradient magnetic fields that may be able to induce electric fields (E-fields)/currents in tissues approaching the level of physiological significance. In this work we present theoretical investigations into induced E-fields in the thorax, and evaluate their potential influence on cardiac electric activity under the assumption that the sites of maximum E-field correspond to the myocardial stimulation threshold (an abnormal circumstance). Whole-body cylindrical and planar gradient coils were included in the model. The calculations of the induced fields are based on an efficient, quasi-static, finite-difference scheme and an anatomically realistic, whole-body model. The potential for cardiac stimulation was evaluated using an electrical model of the heart. Twelve-lead electrocardiogram (ECG) signals were simulated and inspected for arrhythmias caused by the applied fields for both healthy and diseased hearts. The simulations show that the shape of the thorax and the conductive paths significantly influence induced E-fields. In healthy patients, these fields are not sufficient to elicit serious arrhythmias with the use of contemporary gradient sets. However, raising the strength and number of repeated switching episodes of gradients, as is certainly possible in local chest gradient sets, could expose patients to increased risk. For patients with cardiac disease, the risk factors are elevated. By the use of this model, the sensitivity of cardiac pathologies, such as abnormal conductive pathways, to the induced fields generated by an MRI sequence can be investigated. (C) 2003 Wiley-Liss, Inc.

Development of advanced cell/tissue culture systems, based on enhanced polymeric scaffolds and sophisticated bioreactors, for tissue engineering applications

Programa Doutoral em Engenharia Biomédica

Translation of biomechanical concepts in bone tissue engineering: from animal study to revision knee arthroplasty.

Bone defects in revision knee arthroplasty are often located in load-bearing regions. The goal of this study was to determine whether a physiologic load could be used as an in situ osteogenic signal to the scaffolds filling the bone defects. In order to answer this question, we proposed a novel translation procedure having four steps: (1) determining the mechanical stimulus using finite element method, (2) designing an animal study to measure bone formation spatially and temporally using micro-CT imaging in the scaffold subjected to the estimated mechanical stimulus, (3) identifying bone formation parameters for the loaded and non-loaded cases appearing in a recently developed mathematical model for bone formation in the scaffold and (4) estimating the stiffness and the bone formation in the bone-scaffold construct. With this procedure, we estimated that after 3 years mechanical stimulation increases the bone volume fraction and the stiffness of scaffold by 1.5- and 2.7-fold, respectively, compared to a non-loaded situation.

Motion compensation strategies in magnetic resonance imaging.

Image quality in magnetic resonance imaging (MRI) is considerably affected by motion. Therefore, motion is one of the most common sources of artifacts in contemporary cardiovascular MRI. Such artifacts in turn may easily lead to misinterpretations in the images and a subsequent loss in diagnostic quality. Hence, there is considerable research interest in strategies that help to overcome these limitations at minimal cost in time, spatial resolution, temporal resolution, and signal-to-noise ratio. This review summarizes and discusses the three principal sources of motion: the beating heart, the breathing lungs, and bulk patient movement. This is followed by a comprehensive overview of commonly used compensation strategies for these different types of motion. Finally, a summary and an outlook are provided.

Histological and histochemical evaluation of human oral mucosa constructs developed by tissue engineering

Reconstruction of large oral mucosa defects is often challenging, since the shortage of healthy oral mucosa to replace the excised tissues is very common. In this context, tissue engineering techniques may provide a source of autologous tissues available for transplant in these patients. In this work, we developed a new model of artificial oral mucosa generated by tissue engineering using a fibrin-agarose scaffold. For that purpose, we generated primary cultures of human oral mucosa fibroblasts and keratinocytes from small biopsies of normal oral mucosa using enzymatic treatments. Then we determined the viability of the cultured cells by electron probe quantitative X-ray microanalysis, and we demonstrated that most of the cells in the primary cultures were alive and had high K/Na ratios. Once cell viability was determined, we used the cultured fibroblasts and keratinocytes to develop an artificial oral mucosa construct by using a fibrin-agarose extracellular matrix and a sequential culture technique using porous culture inserts. Histological analysis of the artificial tissues showed high similarities with normal oral mucosa controls. The epithelium of the oral substitutes had several layers, with desmosomes and apical microvilli and microplicae. Both the controls and the oral mucosa substitutes showed high suprabasal expression of cytokeratin 13 and low expression of cytokeratin 10. All these results suggest that our model of oral mucosa using fibrin-agarose scaffolds show several similarities with native human oral mucosa.

Weighted Shape-based Averaging with Neighborhood Prior Model for Multiple Atlas Fusion-based Medical Image Segmentation

In medical imaging, merging automated segmentations obtained from multiple atlases has become a standard practice for improving the accuracy. In this letter, we propose two new fusion methods: "Global Weighted Shape-Based Averaging" (GWSBA) and "Local Weighted Shape-Based Averaging" (LWSBA). These methods extend the well known Shape-Based Averaging (SBA) by additionally incorporating the similarity information between the reference (i.e., atlas) images and the target image to be segmented. We also propose a new spatially-varying similarity-weighted neighborhood prior model, and an edge-preserving smoothness term that can be used with many of the existing fusion methods. We first present our new Markov Random Field (MRF) based fusion framework that models the above mentioned information. The proposed methods are evaluated in the context of segmentation of lymph nodes in the head and neck 3D CT images, and they resulted in more accurate segmentations compared to the existing SBA.

Segmentation d’images intravasculaires ultrasonores

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

Développement d’un système de spectroscopie infrarouge résolue temporellement pour la quantification des concentrations d’hémoglobine cérébrale

L’étude du cerveau humain est un domaine en plein essor et les techniques non-invasives de l’étudier sont très prometteuses. Afin de l’étudier de manière non-invasive, notre laboratoire utilise principalement l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et l’imagerie optique diffuse (IOD) continue pour mesurer et localiser l’activité cérébrale induite par une tâche visuelle, cognitive ou motrice. Le signal de ces deux techniques repose, entre autres, sur les concentrations d’hémoglobine cérébrale à cause du couplage qui existe entre l’activité neuronale et le flux sanguin local dans le cerveau. Pour être en mesure de comparer les deux signaux (et éventuellement calibrer le signal d’IRMf par l’IOD), où chaque signal est relatif à son propre niveau de base physiologique inconnu, une nouvelle technique ayant la capacité de mesurer le niveau de base physiologique est nécessaire. Cette nouvelle technique est l’IOD résolue temporellement qui permet d’estimer les concentrations d’hémoglobine cérébrale. Ce nouveau système permet donc de quantifier le niveau de base physiologique en termes de concentrations d’hémoglobine cérébrale absolue. L’objectif général de ma maîtrise était de développer un tel système afin de l’utiliser dans une large étude portant sur la condition cardiovasculaire, le vieillissement, la neuroimagerie ainsi que les performances cognitives. Il a fallu tout d’abord construire le système, le caractériser puis valider les résultats avant de pouvoir l’utiliser sur les sujets de recherche. La validation s’est premièrement réalisée sur des fantômes homogènes ainsi qu’hétérogènes (deux couches) qui ont été développés. La validation des concentrations d’hémoglobine cérébrale a été réalisée via une tâche cognitive et appuyée par les tests sanguins des sujets de recherche. Finalement, on présente les résultats obtenus dans une large étude employant le système d’IOD résolue temporellement en se concentrant sur les différences reliées au vieillissement.

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.

Medical image retrieval based on complexity analysis

Texture is one of the most important visual attributes used in image analysis. It is used in many content-based image retrieval systems, where it allows the identification of a larger number of images from distinct origins. This paper presents a novel approach for image analysis and retrieval based on complexity analysis. The approach consists of a texture segmentation step, performed by complexity analysis through BoxCounting fractal dimension, followed by the estimation of complexity of each computed region by multiscale fractal dimension. Experiments have been performed with MRI database in both pattern recognition and image retrieval contexts. Results show the accuracy of the method and also indicate how the performance changes as the texture segmentation process is altered.