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

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

Optimization Studies to Improve MSC-based Cardiac Cell Therapy : Cytokine Preconditioning and Nanoparticle Coupling

Contexte: La cardiopathie ischémique (IHD) reste une cause majeure de mortalité en Amérique du Nord. La thérapie cellulaire cardiaque (CCT) a émergé comme une thérapie prometteuse pour aider à guérir certaines malades cardiaques. Parmi les cellulaires avec propriétés pluripotentes, les cellules stromales mésenchymateuses (MSC) sont prometteuses. Cependant, plusieurs questions demeurent non résolues et certaines défis empêchent l'application clinique de la CCT se dans l'IHD, tels que le faible taux de rétention cellulaire in situ, le suivi des cellules in vivo post-implantation et post-acheminements et l`apoptose. Ici, le traitement préliminaire des MSC avec des facteurs de croissance et leur couplage avec des nanoparticules (NP) seront étudiés comme des méthodes pour optimiser MSC. Méthodes: Des MSCs provenant du rat (rMSC) et du cochon (pMSC) ont été isolés à partir de moelle osseuse. Les rMSC ont été préconditionnées avec SDF-1a, TSG-6 et PDGF-BB, et ensuite soumises à une hypoxie, une privation de sérum et a un stress oxydatif. Des études de cicatrisation ont également été effectués avec rMSCs préconditionnées. En parallèle, de nouvelles NP ferromagnétiques liées aux silicones ont été synthétisées. Les NPs ont été couplées aux pMSCs suivant leur fonctionnalisation avec l`anticorps, CD44, un antigène de surface du MSC bien connu. Par la suite, les études de biocompatibilité ont été réalisées sur pMSC-NP et en incluant des tests des processus cellulaires tels que la migration, l'adhésion, la prolifération et les propriétés de la différenciation. Résultats: Parmi toutes les cytokines testées, PDGF-BB a démontré la plus grande capacité à améliorer la survie de MSC dans des conditions d'hypoxie, de privation de sérum et en reponse au stress oxydatif. La conjugaison de NP a atténué la migration et la prolifération des pMSCs, mais n`a pas changé leur capacité de différenciation. Enfin, la complexe du MSC-NP est détectable par IRM. Conclusion: Nos données suggèrent que de nouvelles stratégies, telles que traitement préliminaire de PDGF-BB et le couplage des nanoparticules ferromagnétiques, peuvent être considérés comme des avenues prometteuse pour optimiser les MSCs pour la CCT.

Improving sampling, optimization and feature extraction in Boltzmann machines

L’apprentissage supervisé de réseaux hiérarchiques à grande échelle connaît présentement un succès fulgurant. Malgré cette effervescence, l’apprentissage non-supervisé représente toujours, selon plusieurs chercheurs, un élément clé de l’Intelligence Artificielle, où les agents doivent apprendre à partir d’un nombre potentiellement limité de données. Cette thèse s’inscrit dans cette pensée et aborde divers sujets de recherche liés au problème d’estimation de densité par l’entremise des machines de Boltzmann (BM), modèles graphiques probabilistes au coeur de l’apprentissage profond. Nos contributions touchent les domaines de l’échantillonnage, l’estimation de fonctions de partition, l’optimisation ainsi que l’apprentissage de représentations invariantes. Cette thèse débute par l’exposition d’un nouvel algorithme d'échantillonnage adaptatif, qui ajuste (de fa ̧con automatique) la température des chaînes de Markov sous simulation, afin de maintenir une vitesse de convergence élevée tout au long de l’apprentissage. Lorsqu’utilisé dans le contexte de l’apprentissage par maximum de vraisemblance stochastique (SML), notre algorithme engendre une robustesse accrue face à la sélection du taux d’apprentissage, ainsi qu’une meilleure vitesse de convergence. Nos résultats sont présent ́es dans le domaine des BMs, mais la méthode est générale et applicable à l’apprentissage de tout modèle probabiliste exploitant l’échantillonnage par chaînes de Markov. Tandis que le gradient du maximum de vraisemblance peut-être approximé par échantillonnage, l’évaluation de la log-vraisemblance nécessite un estimé de la fonction de partition. Contrairement aux approches traditionnelles qui considèrent un modèle donné comme une boîte noire, nous proposons plutôt d’exploiter la dynamique de l’apprentissage en estimant les changements successifs de log-partition encourus à chaque mise à jour des paramètres. Le problème d’estimation est reformulé comme un problème d’inférence similaire au filtre de Kalman, mais sur un graphe bi-dimensionnel, où les dimensions correspondent aux axes du temps et au paramètre de température. Sur le thème de l’optimisation, nous présentons également un algorithme permettant d’appliquer, de manière efficace, le gradient naturel à des machines de Boltzmann comportant des milliers d’unités. Jusqu’à présent, son adoption était limitée par son haut coût computationel ainsi que sa demande en mémoire. Notre algorithme, Metric-Free Natural Gradient (MFNG), permet d’éviter le calcul explicite de la matrice d’information de Fisher (et son inverse) en exploitant un solveur linéaire combiné à un produit matrice-vecteur efficace. L’algorithme est prometteur: en terme du nombre d’évaluations de fonctions, MFNG converge plus rapidement que SML. Son implémentation demeure malheureusement inefficace en temps de calcul. Ces travaux explorent également les mécanismes sous-jacents à l’apprentissage de représentations invariantes. À cette fin, nous utilisons la famille de machines de Boltzmann restreintes “spike & slab” (ssRBM), que nous modifions afin de pouvoir modéliser des distributions binaires et parcimonieuses. Les variables latentes binaires de la ssRBM peuvent être rendues invariantes à un sous-espace vectoriel, en associant à chacune d’elles, un vecteur de variables latentes continues (dénommées “slabs”). Ceci se traduit par une invariance accrue au niveau de la représentation et un meilleur taux de classification lorsque peu de données étiquetées sont disponibles. Nous terminons cette thèse sur un sujet ambitieux: l’apprentissage de représentations pouvant séparer les facteurs de variations présents dans le signal d’entrée. Nous proposons une solution à base de ssRBM bilinéaire (avec deux groupes de facteurs latents) et formulons le problème comme l’un de “pooling” dans des sous-espaces vectoriels complémentaires.

Optimization of pH and Direct Imaging Conditions of Complexed Methylene Blue Sensitized Poly(vinyl chloride) Films

Significant results of our experimental investigations on the dependence of pH on real time transmission characteristics on recording media fabricated by doping PVC with complexed methylene blue are presented. The optimum pH value for faster bleaching was found to be 4×5. In typical applications, the illumination from one side, normal to the surface of this material, initiates a chemical sequence that records the incident light pattern in the polymer. Thus direct imaging can be successfully done on this sample. The recorded letters were very legible with good contrast and no scattering centres. Diffraction efficiency measurements were also carried out on this material.

Optimization of pH and Direct Imaging Conditions of Complexed Methylene Blue Sensitized Poly(vinyl chloride) Films

Significant results of our experimental investigations on the dependence of pH on real time transmission characteristics on recording media fabricated by doping PVC with complexed methylene blue are presented. The optimum pH value for faster bleaching was found to be 4×5. In typical applications, the illumination from one side, normal to the surface of this material, initiates a chemical sequence that records the incident light pattern in the polymer. Thus direct imaging can be successfully done on this sample. The recorded letters were very legible with good contrast and no scattering centres. Diffraction efficiency measurements were also carried out on this material.

Optimization of pH and direct imaging conditions of complexed methylene blue sensitized poly(vinyl chloride) films

Significant results of our experimental investigations on the dependence of pH on real time transmission characteristics on recording media fabricated by doping PVC with complexed methylene blue are presented. The optimum pH value for faster bleaching was found to be 4 . 5. In typical applications, the illumination from one side, normal to the surface of this material, initiates a chemical sequence that records the incident light pattern in the polymer. Thus direct imaging can be successfully done on this sample. The recorded letters were very legible with good contrast and no scattering centres. Diffraction efficiency measurements were also carried out on this material.

Optimization of Preparation Techniques and Dielectric Study of Polyanilines in the Microwave & High Frequency Field

The thesis deals with the preparation and dielectric characterization of Poly aniline and its analogues in ISM band frequency of 2-4 GHz that includes part of the microwave region (300 MHz to 300 GHz) of the electromagnetic spectrum and an initial dielectric study in the high frequency [O.05MHz-13 MHz]. PolyaniIine has been synthesized by an in situ doping reaction under different temperature and in the presence of inorganic dopants such as HCl H2S04, HN03, HCl04 and organic dopants such as camphorsulphonic acid [CSA], toluenesulphonic acid {TSA) and naphthalenesulphonic acid [NSA]. The variation in dielectric properties with change in reaction temperature, dopants and frequency has been studied. The effect of codopants and microemulsions on the dielectric properties has also been studied in the ISM band. The ISM band of frequencies (2-4 GHz) is of great utility in Industrial, Scientific and Medical (ISM) applications. Microwave heating is a very efficient method of heating dielectric materials and is extensively used in industrial as well as household heating applications.

Process Optimization for Mass Production of Marine Yeast Candida sp. S 27 and its Nutritional Characterization

The main source of protein for human and animal consumption is from the agricultural sector, where the production is vulnerable to diseases, fluctuations in climatic conditions and deteriorating hydrological conditions due to water pollution. Therefore Single Cell Protein (SCP) production has evolved as an excellent alternative. Among all sources of microbial protein, yeast has attained global acceptability and has been preferred for SCP production. The screening and evaluation of nutritional and other culture variables of microorganisms are very important in the development of a bioprocess for SCP production. The application of statistical experimental design in bioprocess development can result in improved product yields, reduced process variability, closer confirmation of the output response to target requirements and reduced development time and overall cost.The present work was undertaken to develop a bioprocess technology for the mass production of a marine yeast, Candida sp.S27. Yeasts isolated from the offshore waters of the South west coast of India and maintained in the Microbiology Laboratory were subjected to various tests for the selection of a potent strain for biomass production. The selected marine yeast was identified based on ITS sequencing. Biochemical/nutritional characterization of Candida sp.S27 was carried out. Using Response Surface Methodology (RSM) the process parameters (pH, temperature and salinity) were optimized. For mass production of yeast biomass, a chemically defined medium (Barnett and Ingram, 1955) and a crude medium (Molasses-Yeast extract) were optimized using RSM. Scale up of biomass production was done in a Bench top Fermenter using these two optimized media. Comparative efficacy of the defined and crude media were estimated besides nutritional evaluation of the biomass developed using these two optimized media.

Optimization of Two Stage Process for the Growth of In2S3 , CuInSe2 and CuIn (Sel-xSx)2Thin Films for Solar Cell Application

Two stage processes consisting of precursor preparation by thermal evaporation followed by chalcogenisation in the required atmosphere is found to be a feasible technique for the PV materials such as n-Beta In2S3, p-CulnSe2, p-CulnS2 and p-CuIn(Sel_xSx)2. The growth parameters such as chalcogenisation temperature and duration of chalcogenisation etc have been optimised in the present study.Single phase Beta-In2S3 thin films can be obtained by sulfurising the indium films above 300°C for 45 minutes. Low sulfurisation temperatures required prolonged annealing after the sulfurisation to obtain single phase Beta-1n2S3, which resulted in high material loss. The maximum band gap of 2.58 eV was obtained for the nearly stoichiometric Beta-In2S3 film which was sulfurised at 350°C. This wider band gap, n type Beta-In2S3 can be used as an alternative to toxic CdS as window layer in photovoltaics .The systematic study on the structural optical and electrical properties of CuInSe2 films by varying the process parameters such as the duration of selenization and the selenization temperature led to the conclusion that for the growth of single-phase CuInSe2, the optimum selenization temperature is 350°C and duration is 3 hours. The presence of some binary phases in films for shorter selenization period and lower selenization temperature may be due to the incomplete reaction and indium loss. Optical band gap energy of 1.05 eV obtained for the films under the optimum condition.In order to obtain a closer match to the solar spectrum it is desirable to increase the band gap of the CulnSe2 by a few meV . Further research works were carried out to produce graded band gap CuIn(Se,S)2 absorber films by incorporation of sulfur into CuInSe2. It was observed that when the CulnSe2 prepared by two stage process were post annealed in sulfur atmosphere, the sulfur may be occupying the interstitial positions or forming a CuInS2 phase along with CuInSe2 phase. The sulfur treatment during the selenization process OfCu11 ln9 precursors resulted in Culn (Se,S)2 thin films. A band gap of 1.38 eV was obtained for the CuIn(Se,S)2.The optimised thin films n-beta 1n2S3, p-CulnSe2 and p-Culn(Sel-xSx)2 can be used for fabrication of polycrystalline solar cells.

Carbon/Nitrogen Ratio Optimization and Periphyton Development on the Production and Sustainability of Penaeus Monodon(Fabricius)in Extensive Culture System

Controlling the inorganic nitrogen by manipulating carbon / nitrogen ratio is a method gaining importance in aquaculture systems. Nitrogen control is induced by feeding bacteria with carbohydrates and through the subsequent uptake of nitrogen from the water for the synthesis of microbial proteins. The relationship between addition of carbohydrates, reduction of ammonium and the production of microbial protein depends on the microbial conversion coefficient. The carbon / nitrogen ratio in the microbial biomass is related to the carbon contents of the added material. The addition of carbonaceous substrate was found to reduce inorganic nitrogen in shrimp culture ponds and the resultant microbial proteins are taken up by shrimps. Thus, part of the feed protein is replaced and feeding costs are reduced in culture systems.The use of various locally available substrates for periphyton based aquaculture practices increases production and profitability .However, these techniques for extensive shrimp farming have not so far been evaluated. Moreover, an evaluation of artificial substrates together with carbohydrate source based farming system in reducing inorganic nitrogen production in culture systems has not yet been carried-out. Furthermore, variations in water and soil quality, periphyton production and shrimp production of the whole system have also not been determined so-far.This thesis starts with a general introduction , a brief review of the most relevant literature, results of various experiments and concludes with a summary (Chapter — 9). The chapters are organised conforming to the objectives of the present study. The major objectives of this thesis are, to improve the sustainability of shrimp farming by carbohydrate addition and periphyton substrate based shrimp production and to improve the nutrient utilisation in aquaculture systems.

Optimization of Process Parameters for the Extraction of Gelatin from the Skin of Freshwater Fish and the Evaluation of Physical anal Chemical Characteristics

Faculty of Marine Sciences,Cochin University of Science and Technology

Optimization of parameters of chemical spray pyrolysis technique to get n and p-type layers of SnS

SnS thin films were prepared using automated chemical spray pyrolysis (CSP) technique. Single-phase, p-type, stoichiometric, SnS films with direct band gap of 1.33 eV and having very high absorption coefficient (N105/cm) were deposited at substrate temperature of 375 °C. The role of substrate temperature in determining the optoelectronic and structural properties of SnS films was established and concentration ratios of anionic and cationic precursor solutions were optimized. n-type SnS samples were also prepared using CSP technique at the same substrate temperature of 375 °C, which facilitates sequential deposition of SnS homojunction. A comprehensive analysis of both types of films was done using x-ray diffraction, energy dispersive x-ray analysis, scanning electron microscopy, atomic force microscopy, optical absorption and electrical measurements. Deposition temperatures required for growth of other binary sulfide phases of tin such as SnS2, Sn2S3 were also determined

Optimization of Lignin Peroxidase, Manganese Peroxidase, and Lac Production from Ganoderma lucidum Under Solid State Fermentation of Pineapple Leaf

This study was undertaken to isolate ligninase-producing white-rot fungi for use in the extraction of fibre from pineapple leaf agriwaste. Fifteen fungal strains were isolated from dead tree trunks and leaf litter. Ligninolytic enzymes (lignin peroxidase (LiP), manganese peroxidase (MnP), and laccase (Lac)), were produced by solid-state fermentation (SSF) using pineapple leaves as the substrate. Of the isolated strains, the one showing maximum production of ligninolytic enzymes was identified to be Ganoderma lucidum by 18S ribotyping. Single parameter optimization and response surface methodology of different process variables were carried out for enzyme production. Incubation period, agitation, and Tween-80 were identified to be the most significant variables through Plackett-Burman design. These variables were further optimized by Box-Behnken design. The overall maximum yield of ligninolytic enzymes was achieved by experimental analysis under these optimal conditions. Quantitative lignin analysis of pineapple leaves by Klason lignin method showed significant degradation of lignin by Ganoderma lucidum under SSF

Marine yeast Candida MCCF 101 as feed supplement in aquaculture: nutritional quality, optimization of large scale production and evaluation of its protective effect on Koi carp from Aeromonas infection

Marine yeast have been regarded as safe and showing a beneficial impact on biotechnological process. It provides better nutritional and dietary values indicating their potential application as feed supplements in aquaculture. Brown et al. (1996) evaluated all the marine yeasts characterised with high protein content, carbohydrate, good amino acid composition and high levels of saturated fats. However, there is paucity of information on marine yeasts as feed supplements and no feed formulation has been found either in literature or in market supplemented with them. This statement supported by Zhenming et al. (2006) reported still a lack of feed composed of single cell protein (SCP) from marine yeasts with high content of protein and other nutrients. Recent research has shown that marine yeasts also have highly potential uses in food, feed, medical and biofuel industries as well as marine biotechnology (Chi et al., 2009; 2010). Sajeevan et al. (2006; 2009a) and Sarlin and Philip (2011) demonstrates that the marine yeasts Candida sake served as a high quality, inexpensive nutrient source and it had proven immunostimulatory properties for cultured shrimps. This strain has been made part of the culture collection of National Centre for Aquatic Animal Health, Cochin University of Science and Technology as Candida MCCF 101. Over the years marine yeasts have been gaining increased attention in animal feed industry due to their nutritional value and immune boosting property.Therefore, the present study was undertaken, and focused on the nutritional quality, optimization of large scale production and evaluation of its protective effect on Koi carp from Aeromonas infection

BIOPROCESS OPTIMIZATION AND CHARACTERIZATION OF PHYTASE FROM AN ENVIRONMENTAL ISOLATE BACILLUS MCCB 242

A study was undertaken to isolate phytase producers from environment and to segregate the most highly efficient phytase producer and to develop a bioprocess technology for commercial application. During this process, a potential phytase producer Bacillus MCCB 242 was isolated and characterized phenotypically and genotypically. Subsequently, phytase production was optimized, the enzyme purified and characterized and an appropriate downstream process also could be standardized.Precisely, through this work an environmental isolate Bacillus MCCB 242 could be brought out as phytase producer for commercial application. The enzyme production could be optimized and characterized, and an appropriate downstream process standardized. Cytotoxicity studies revealed the enzyme safe for feed application, especially in fish.