Bunch frequency multiplication by RF injection into an isochronous ring

La collaboration CLIC (Compact LInear Collider, collisionneur linéaire compact) étudie la possibilité de réaliser un collisionneur électron-positon linéaire à haute énergie (3 TeV dans le centre de masse) et haute luminosité (1034 cm-2s-1), pour la recherche en physique des particules. Le projet CLIC se fonde sur l'utilisation de cavités accélératrices à haute fréquence (30 GHz). La puissance nécessaire à ces cavités est fournie par un faisceau d'électrons de basse énergie et de haute intensité, appelé faisceau de puissance, circulant parallèlement à l'accélérateur linéaire principal (procédé appelé « Accélération à Double Faisceau »). Dans ce schéma, un des principaux défis est la réalisation du faisceau de puissance, qui est d'abord généré dans un complexe accélérateur à basse fréquence, puis transformé pour obtenir une structure temporelle à haute fréquence nécessaire à l'alimentation des cavités accélératrices de l'accélérateur linéaire principal. La structure temporelle à haute fréquence des paquets d'électrons est obtenue par le procédé de multiplication de fréquence, dont la manipulation principale consiste à faire circuler le faisceau d'électrons dans un anneau isochrone en utilisant des déflecteurs radio-fréquence (déflecteurs RF) pour injecter et combiner les paquets d'électrons. Cependant, ce type de manipulation n'a jamais été réalisé auparavant et la première phase de la troisième installation de test pour CLIC (CLIC Test Facility 3 ou CTF3) a pour but la démonstration à faible charge du procédé de multiplication de fréquence par injection RF dans un anneau isochrone. Cette expérience, qui a été réalisée avec succès au CERN au cours de l'année 2002 en utilisant une version modifiée du pré-injecteur du grand collisionneur électron-positon LEP (Large Electron Positron), est le sujet central de ce rapport. L'expérience de combinaison des paquets d'électrons consiste à accélérer cinq impulsions dont les paquets d'électrons sont espacés de 10 cm, puis à les combiner dans un anneau isochrone pour obtenir une seule impulsion dont les paquets d'électrons sont espacés de 2 cm, multipliant ainsi la fréquence des paquets d'électrons, ainsi que la charge par impulsion, par cinq. Cette combinaison est réalisée au moyen de structures RF résonnantes sur un mode déflecteur, qui créent dans l'anneau une déformation locale et dépendante du temps de l'orbite du faisceau. Ce mécanisme impose plusieurs contraintes de dynamique de faisceau comme l'isochronicité, ainsi que des tolérances spécifiques sur les paquets d'électrons, qui sont définies dans ce rapport. Les études pour la conception de la Phase Préliminaire du CTF3 sont détaillées, en particulier le nouveau procédé d'injection avec les déflecteurs RF. Les tests de haute puissance réalisés sur ces cavités déflectrices avant leur installation dans l'anneau sont également décrits. L'activité de mise en fonctionnement de l'expérience est présentée en comparant les mesures faites avec le faisceau aux simulations et calculs théoriques. Finalement, les expériences de multiplication de fréquence des paquets d'électrons sont décrites et analysées. On montre qu'une très bonne efficacité de combinaison est possible après optimisation des paramètres de l'injection et des déflecteurs RF. En plus de l'expérience acquise sur l'utilisation de ces déflecteurs, des conclusions importantes pour les futures activités CTF3 et CLIC sont tirées de cette première démonstration de la multiplication de fréquence des paquets d'électrons par injection RF dans un anneau isochrone.<br/><br/>The Compact LInear Collider (CLIC) collaboration studies the possibility of building a multi-TeV (3 TeV centre-of-mass), high-luminosity (1034 cm-2s-1) electron-positron collider for particle physics. The CLIC scheme is based on high-frequency (30 GHz) linear accelerators powered by a low-energy, high-intensity drive beam running parallel to the main linear accelerators (Two-Beam Acceleration concept). One of the main challenges to realize this scheme is to generate the drive beam in a low-frequency accelerator and to achieve the required high-frequency bunch structure needed for the final acceleration. In order to provide bunch frequency multiplication, the main manipulation consists in sending the beam through an isochronous combiner ring using radio-frequency (RF) deflectors to inject and combine electron bunches. However, such a scheme has never been used before, and the first stage of the CLIC Test Facility 3 (CTF3) project aims at a low-charge demonstration of the bunch frequency multiplication by RF injection into an isochronous ring. This proof-of-principle experiment, which was successfully performed at CERN in 2002 using a modified version of the LEP (Large Electron Positron) pre-injector complex, is the central subject of this report. The bunch combination experiment consists in accelerating in a linear accelerator five pulses in which the electron bunches are spaced by 10 cm, and combining them in an isochronous ring to obtain one pulse in which the electron bunches are spaced by 2 cm, thus achieving a bunch frequency multiplication of a factor five, and increasing the charge per pulse by a factor five. The combination is done by means of RF deflecting cavities that create a time-dependent bump inside the ring, thus allowing the interleaving of the bunches of the five pulses. This process imposes several beam dynamics constraints, such as isochronicity, and specific tolerances on the electron bunches that are defined in this report. The design studies of the CTF3 Preliminary Phase are detailed, with emphasis on the novel injection process using RF deflectors. The high power tests performed on the RF deflectors prior to their installation in the ring are also reported. The commissioning activity is presented by comparing beam measurements to model simulations and theoretical expectations. Eventually, the bunch frequency multiplication experiments are described and analysed. It is shown that the process of bunch frequency multiplication is feasible with a very good efficiency after a careful optimisation of the injection and RF deflector parameters. In addition to the experience acquired in the operation of these RF deflectors, important conclusions for future CTF3 and CLIC activities are drawn from this first demonstration of the bunch frequency multiplication by RF injection into an isochronous ring.<br/><br/>La collaboration CLIC (Compact LInear Collider, collisionneur linéaire compact) étudie la possibilité de réaliser un collisionneur électron-positon linéaire à haute énergie (3 TeV) pour la recherche en physique des particules. Le projet CLIC se fonde sur l'utilisation de cavités accélératrices à haute fréquence (30 GHz). La puissance nécessaire à ces cavités est fournie par un faisceau d'électrons de basse énergie et de haut courant, appelé faisceau de puissance, circulant parallèlement à l'accélérateur linéaire principal (procédé appelé « Accélération à Double Faisceau »). Dans ce schéma, un des principaux défis est la réalisation du faisceau de puissance, qui est d'abord généré dans un complexe accélérateur à basse fréquence, puis transformé pour obtenir une structure temporelle à haute fréquence nécessaire à l'alimentation des cavités accélératrices de l'accélérateur linéaire principal. La structure temporelle à haute fréquence des paquets d'électrons est obtenue par le procédé de multiplication de fréquence, dont la manipulation principale consiste à faire circuler le faisceau d'électrons dans un anneau isochrone en utilisant des déflecteurs radio-fréquence (déflecteurs RF) pour injecter et combiner les paquets d'électrons. Cependant, ce type de manipulation n'a jamais été réalisé auparavant et la première phase de la troisième installation de test pour CLIC (CLIC Test Facility 3 ou CTF3) a pour but la démonstration à faible charge du procédé de multiplication de fréquence par injection RF dans un anneau isochrone. L'expérience consiste à accélérer cinq impulsions, puis à les combiner dans un anneau isochrone pour obtenir une seule impulsion dans laquelle la fréquence des paquets d'électrons et le courant sont multipliés par cinq. Cette combinaison est réalisée au moyen de structures déflectrices RF qui créent dans l'anneau une déformation locale et dépendante du temps de la trajectoire du faisceau. Les résultats de cette expérience, qui a été réalisée avec succès au CERN au cours de l?année 2002 en utilisant une version modifiée du pré-injecteur du grand collisionneur électron-positon LEP (Large Electron Positon), sont présentés en détail.

Analysis of the voltage source inverter with small DC-link capacitor

IIn electric drives, frequency converters are used to generatefor the electric motor the AC voltage with variable frequency and amplitude. When considering the annual sale of drives in values of money and units sold, the use of low-performance drives appears to be in predominant. These drives have tobe very cost effective to manufacture and use, while they are also expected to fulfill the harmonic distortion standards. One of the objectives has also been to extend the lifetime of the frequency converter. In a traditional frequency converter, a relatively large electrolytic DC-link capacitor is used. Electrolytic capacitors are large, heavy and rather expensive components. In many cases, the lifetime of the electrolytic capacitor is the main factor limiting the lifetime of the frequency converter. To overcome the problem, the electrolytic capacitor is replaced with a metallized polypropylene film capacitor (MPPF). The MPPF has improved properties when compared to the electrolytic capacitor. By replacing the electrolytic capacitor with a film capacitor the energy storage of the DC-linkwill be decreased. Thus, the instantaneous power supplied to the motor correlates with the instantaneous power taken from the network. This yields a continuousDC-link current fed by the diode rectifier bridge. As a consequence, the line current harmonics clearly decrease. Because of the decreased energy storage, the DC-link voltage fluctuates. This sets additional conditions to the controllers of the frequency converter to compensate the fluctuation from the supplied motor phase voltages. In this work three-phase and single-phase frequency converters with small DC-link capacitor are analyzed. The evaluation is obtained with simulations and laboratory measurements.

Hormonal regulation of (Na+,K+)-ATPase biosynthesis in the toad bladder. Effect of aldosterone and 3,5,3'-triiodo-L-thyronine.

Aldosterone stimulates transepithelial Na+ transport in the toad bladder, and thyroid hormone antagonizes this mineralocorticoid action. In the present study, we assessed the influence of these two hormones on the biosynthesis of (Na+,K+)ATPase, the major driving force of Na+ transport. Rates of enzyme synthesis were estimated by immunoprecipitation with monospecific alpha (96,000 daltons) and beta (60,000 daltons) subunit antibodies. After a 30-min pulse of intact tissue with [35S]methionine, the anti-alpha-serum recognized the 96,000-dalton alpha subunit and the anti-beta-serum, a 42,000-dalton protein, in total cell extracts. The biosynthesis rates of both these proteins were increased 2.8- and 2.4-fold respectively, over controls by 80 nM aldosterone after 18 h of hormone treatment. The hormonal effect was not apparent up to 3 h of incubation and was dose dependent between 0.2 and 20 nM aldosterone. The hormonal induction was antagonized by spironolactone (500-fold excess) but not by amiloride. The action of aldosterone thus seems to be a receptor-mediated process and a primary event independent of the Na+ permeability of the apical membrane. Thyroid hormone, on the other hand, had no effect on either basal or aldosterone-stimulated synthesis rates of both enzyme proteins. The results demonstrate a direct effect of aldosterone on gene expression of the (Na+,K+)-ATPase. Ultimately, this phenomenon could be linked to the late mineralocorticoid action of this hormone. On the other hand, thyroid hormone, in contrast to the situation in mammals, does not stimulate de novo enzyme synthesis in amphibia. Neither can the antimineralocorticoid action of thyroid hormone in the toad bladder be explained by an inhibition of the (Na+,K+)-ATPase synthesis.

Self-navigated isotropic three-dimensional cardiac T2 mapping.

PURPOSE: To implement and characterize an isotropic three-dimensional cardiac T2 mapping technique. METHODS: A self-navigated three-dimensional radial segmented balanced steady-state free precession pulse sequence with an isotropic 1.7-mm spatial resolution was implemented at 3T with a variable T2 preparation module. Bloch equation and Monte Carlo simulations were performed to determine the influence of the heart rate, B1 inhomogeneity and noise on the T2 fitting accuracy. In a phantom study, the accuracy of the pulse sequence was studied through comparison with a gold-standard spin-echo T2 mapping method. The robustness and homogeneity of the technique were ascertained in a study of 10 healthy adult human volunteers, while first results obtained in patients are reported. RESULTS: The numerical simulations demonstrated that the heart rate and B1 inhomogeneity cause only minor deviations in the T2 fitting, whereas the phantom study showed good agreement of the technique with the gold standard. The volunteer study demonstrated an average myocardial T2 of 40.5 ± 3.3 ms and a <15% T2 gradient in the base-apex and anterior-inferior direction. In three patients, elevated T2 values were measured in regions with expected edema. CONCLUSION: This respiratory self-navigated isotropic three-dimensional technique allows for accurate and robust in vitro and in vivo T2 quantification. Magn Reson Med 73:1549-1554, 2015. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.

Nosturivaihteiden kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen värähtelymittauksia käyttäen

Työssä selvitettiin värähtelymittauksien käyttömahdollisuuksia nosturivaihteiden ennakoivassa kunnonvalvonnassa. Työ on painottunut lähinnä värähtelymittausten mittaus- ja analyysiteknisten näkökohtien tarkasteluun ja toimii niiltä osin al-kuselvityksenä värähtelymittauspohjaisen kunnonvalvontajärjestelmän luomiselle. Kirjallisuuden mukaan yleisimpiä ja käyttökelpoisimpia värähtelyanalyysejä vaihteistojen kunnonvalvonnassa ovat spektri-, kepstri-, ja demodulointitekniik-kaan perustuvat analyysit, joita kokeiltiin vauriokokeilla. Työssä käsitellään myös iskusysäysmenetelmää ja aikatason tunnuslukuja. Vauriokokeilla saatiin tietoa hammasvaurioiden havaitsemisesta värähtelymittauksilla, mutta laakerivaurioista kaivataan sen sijaan vielä lisää tietoa. Hammasvaurioiden tarkastelussa spektri-analyysin ohella PeakVue -analyysi osoittautui tehokkaaksi, kun siinä käytettiin sopivaa suodatusaluetta. Lisäksi työhön on koottu kokemuksia nosturivaihteiden käytännön värähtelymittauksista ja annettu ohjeita niiden suorittamisesta. Työn tulokset osoittavat, että värähtelymittauspohjaisella kunnonvalvontajärjes-telmällä voidaan parantaa nostovaihteiden ennakoivaa kunnonvalvontaa. Nosto-vaihteiden värähtelymittauksia kannattaa siis ehdottomasti jatkaa ja kunnonval-vontajärjestelmää edelleen kehittää. Siirtovaihteiden valvonta värähtelymittauksilla on sen sijaan hankalaa niiden epävakaan kuormitustilan vuoksi.

ZnO nanorods for efficient third harmonic UV generation.

ZnO nanorods grown by both high temperature vapour phase transport and low temperature chemical bath deposition are very promising sources for UV third harmonic generation. Material grown by both methods show comparable efficiencies, in both cases an order of magnitude higher than surface third harmonic generation at the quartz-air interface of a bare quartz substrate. This result is in stark contrast to the linear optical properties of ZnO nanorods grown by these two methods, which show vastly different PL efficiencies. The third harmonic generated signal is analysed using intensity dependent measurements and interferometric frequency resolved optical gating, allowing extraction of the laser pulse parameters. The comparable levels of efficiency of ZnO grown by these very different methods as sources for third harmonic UV generation provides a broad suite of possible growth methods to suit various substrates, coverage and scalability requirements. Potential application areas range from interferometric frequency resolved optical gating characterization of few cycle fs pulses to single cell UV irradiation for biophysical studies.

PulpExpert-massa-analysaattorin arkinmuodostus

Laboratoriossa tutkittiin rainaussakeuden ja neliömassan vaikutusta formaatioon ja muiden paperin ominaisuuksien hajontoihin sakeusalueella 0,036 %- 0,067 % ja neliömassa-alueella 65 g/m2- 125 g/m2. Havaittiin, että rainaussakeudella oli vaikutusta vain mäntysellusta valmistettujen arkkien formaatioon. Neliömassan noustessa kaikista tutkituista massoista valmistettujen arkkien formaatiot huononivat. Pulseeraus tai alipaine vedenpoiston aikana ei parantanut Turbulence Pulse Sheet Former-laitteella valmistettujen kuumahierrearkkien formaatiota. Kahdella koelaitteella tehtiin sakeusajo, toistokoe ja vuorottelukoe. Laite A mittasi tiettyihin sakeuksiin valmistettujen massojen sakeudet tarkasti. Laitteen B sakeusmittauksessa havaittiin säännöllinen poikkeama. Toistokokeen tuloksista tarkasteltiin mitattujen arvojen hajontoja, laitteiden massanerotuskykyä ja arkkien formaatiota. Laite A teki silmämääräisesti tasaisempia arkkeja, mutta niiden formaatio oli huonompi. Laitteella A saavutettiin pienemmät näytepisteiden sisäiset hajonnat repäisylujuusmittauksessa ja laitteella B vaaleuden mittauksessa. Laite A erotteli massat paremmin vaaleusmittauksessa ja laite B ilmanläpäisevyyden mittauksessa. Vuorottelukokeessa havaittiin, ettei massojen nopea vuorottelu kasvata olennaisesti mittaustuloksien hajontoja.

Aortic blood pressure measured via EIT: investigation of different measurement settings.

Electrical impedance tomography (EIT) allows the measurement of intra-thoracic impedance changes related to cardiovascular activity. As a safe and low-cost imaging modality, EIT is an appealing candidate for non-invasive and continuous haemodynamic monitoring. EIT has recently been shown to allow the assessment of aortic blood pressure via the estimation of the aortic pulse arrival time (PAT). However, finding the aortic signal within EIT image sequences is a challenging task: the signal has a small amplitude and is difficult to locate due to the small size of the aorta and the inherent low spatial resolution of EIT. In order to most reliably detect the aortic signal, our objective was to understand the effect of EIT measurement settings (electrode belt placement, reconstruction algorithm). This paper investigates the influence of three transversal belt placements and two commonly-used difference reconstruction algorithms (Gauss-Newton and GREIT) on the measurement of aortic signals in view of aortic blood pressure estimation via EIT. A magnetic resonance imaging based three-dimensional finite element model of the haemodynamic bio-impedance properties of the human thorax was created. Two simulation experiments were performed with the aim to (1) evaluate the timing error in aortic PAT estimation and (2) quantify the strength of the aortic signal in each pixel of the EIT image sequences. Both experiments reveal better performance for images reconstructed with Gauss-Newton (with a noise figure of 0.5 or above) and a belt placement at the height of the heart or higher. According to the noise-free scenarios simulated, the uncertainty in the analysis of the aortic EIT signal is expected to induce blood pressure errors of at least ± 1.4 mmHg.

1D.03: Inactive matrix GLA protein is associated with renal resistive index in a population-based study

OBJECTIVE: Renal resistive index (RRI) varies directly with renal vascular stiffness and pulse pressure. RRI correlates positively with arteriolosclerosis in damaged kidneys and predicts progressive renal dysfunction. Matrix Gla-protein (MGP) is a vascular calcification inhibitor that needs vitamin K to be activated. Inactive MGP, known as desphospho-uncarboxylated MGP (dp-ucMGP), can be measured in plasma and has been associated with various cardiovascular (CV) markers, CV outcomes and mortality. In this study we hypothesize that increased RRI is associated with high levels of dp-ucMGP. DESIGN AND METHOD: We recruited participants via a multi-center family-based cross-sectional study in Switzerland exploring the role of genes and kidney hemodynamics in blood pressure regulation. Dp-ucMGP was quantified in plasma samples by sandwich ELISA. Renal doppler sonography was performed using a standardized protocol to measure RRIs on 3 segmental arteries in each kidney. The mean of the 6 measures was reported. Multiple regression analysis was performed to estimate associations between RRI and dp-ucMGP adjusting for sex, age, pulse pressure, mean pressure, renal function and other CV risk factors. RESULTS: We included 1035 participants in our analyses. Mean values were 0.64 ± 0.06 for RRI and 0.44 ± 0.21 (nmol/L) for dp-ucMGP. RRI was positively associated with dp-ucMGP both before and after adjustment for sex, age, body mass index, pulse pressure, mean pressure, heart rate, renal function, low and high density lipoprotein, smoking status, diabetes, blood pressure and cholesterol lowering drugs, and history of CV disease (P < 0.001). CONCLUSIONS: RRI is independently and positively associated with high levels of dp-ucMGP after adjustment for pulse pressure and common CV risk factors. Further studies are needed to determine if vitamin K supplementation can have a positive effect on renal vascular stiffness and kidney function.

Inactive Matrix Gla-Protein is associated with arterial stiffness in an adult population-based study

Increased pulse wave velocity (PWV) is a marker of aortic stiffness and an independent predictor of mortality. Matrix Gla-protein (MGP) is a vascular calcification inhibitor that needs vitamin K to be activated. Inactive MGP, known as desphospho-uncarboxylated MGP (dp-ucMGP), can be measured in plasma and has been associated with various cardiovascular markers, cardiovascular outcomes, and mortality. In this study, we hypothesized that high levels of dp-ucMGP are associated with increased PWV. We recruited participants via a multicenter family-based cross-sectional study in Switzerland. Dp-ucMGP was quantified in plasma by sandwich ELISA. Aortic PWV was determined by applanation tonometry using carotid and femoral pulse waveforms. Multiple regression analysis was performed to estimate associations between PWV and dp-ucMGP adjusting for age, renal function, and other cardiovascular risk factors. We included 1001 participants in our analyses (475 men and 526 women). Mean values were 7.87±2.10 m/s for PWV and 0.43±0.20 nmol/L for dp-ucMGP. PWV was positively associated with dp-ucMGP both before and after adjustment for sex, age, body mass index, height, systolic and diastolic blood pressure (BP), heart rate, renal function, low- and high-density lipoprotein, glucose, smoking status, diabetes mellitus, BP and cholesterol lowering drugs, and history of cardiovascular disease (P≤0.01). In conclusion, high levels of dp-ucMGP are independently and positively associated with arterial stiffness after adjustment for common cardiovascular risk factors, renal function, and age. Experimental studies are needed to determine whether vitamin K supplementation slows arterial stiffening by increasing MGP carboxylation.

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.

Correcting surface coil excitation inhomogeneities in single-shot SPEN MRI.

Given their high sensitivity and ability to limit the field of view (FOV), surface coils are often used in magnetic resonance spectroscopy (MRS) and imaging (MRI). A major downside of surface coils is their inherent radiofrequency (RF) B1 heterogeneity across the FOV, decreasing with increasing distance from the coil and giving rise to image distortions due to non-uniform spatial responses. A robust way to compensate for B1 inhomogeneities is to employ adiabatic inversion pulses, yet these are not well adapted to all imaging sequences - including to single-shot approaches like echo planar imaging (EPI). Hybrid spatiotemporal encoding (SPEN) sequences relying on frequency-swept pulses provide another ultrafast MRI alternative, that could help solve this problem thanks to their built-in heterogeneous spatial manipulations. This study explores how this intrinsic SPEN-based spatial discrimination, could be used to compensate for the B1 inhomogeneities inherent to surface coils. Experiments carried out in both phantoms and in vivo rat brains demonstrate that, by suitably modulating the amplitude of a SPEN chirp pulse that progressively excites the spins in a direction normal to the coil, it is possible to compensate for the RF transmit inhomogeneities and thus improve sensitivity and image fidelity.

Combined T2 -preparation and two-dimensional pencil-beam inner volume selection.

PURPOSE: To improve coronary magnetic resonance angiography (MRA) by combining a two-dimensional (2D) spatially selective radiofrequency (RF) pulse with a T2 -preparation module ("2D-T2 -Prep"). METHODS: An adiabatic T2 -Prep was modified so that the first and last pulses were of differing spatial selectivity. The first RF pulse was replaced by a 2D pulse, such that a pencil-beam volume is excited. The last RF pulse remains nonselective, thus restoring the T2 -prepared pencil-beam, while tipping the (formerly longitudinal) magnetization outside of the pencil-beam into the transverse plane, where it is then spoiled. Thus, only a cylinder of T2 -prepared tissue remains for imaging. Numerical simulations were followed by phantom validation and in vivo coronary MRA, where the technique was quantitatively evaluated. Reduced field-of-view (rFoV) images were similarly studied. RESULTS: In vivo, full field-of-view 2D-T2 -Prep significantly improved vessel sharpness as compared to conventional T2 -Prep, without adversely affecting signal-to-noise (SNR) or contrast-to-noise ratios (CNR). It also reduced respiratory motion artifacts. In rFoV images, the SNR, CNR, and vessel sharpness decreased, although scan time reduction was 60%. CONCLUSION: When compared with conventional T2 -Prep, the 2D-T2 -Prep improves vessel sharpness and decreases respiratory ghosting while preserving both SNR and CNR. It may also acquire rFoV images for accelerated data acquisition.

Heritability of ambulatory and office blood pressure in the Swiss population.

BACKGROUND: Blood pressure (BP) is known to aggregate in families. Yet, heritability estimates are population-specific and no Swiss data have been published so far. We estimated the heritability of ambulatory and office BP in a Swiss population-based sample. METHODS: The Swiss Kidney Project on Genes in Hypertension is a population-based family study focusing on BP genetics. Office and ambulatory BP were measured in 1009 individuals from 271 nuclear families. Heritability was estimated for SBP, DBP, and pulse pressure using a maximum likelihood method implanted in the Statistical Analysis in Genetic Epidemiology software. RESULTS: The 518 women and 491 men included in this analysis had a mean (±SD) age of 48.3 (±17.4) and 47.3 (±17.7) years, and a mean BMI of 23.8 (±4.2) and 25.9 (±4.1) kg/m, respectively. Narrow-sense heritability estimates (±standard error) for ambulatory SBP, DBP, and pulse pressure were 0.37 ± 0.07, 0.26 ± 0.07, and 0.29 ± 0.07 for 24-h BP; 0.39 ± 0.07, 0.28 ± 0.07, and 0.27 ± 0.07 for day BP; and 0.25 ± 0.07, 0.20 ± 0.07, and 0.30 ± 0.07 for night BP, respectively (all P < 0.001). Heritability estimates for office SBP, DBP, and pulse pressure were 0.21 ± 0.08, 0.25 ± 0.08, and 0.18 ± 0.07 (all P < 0.01). CONCLUSIONS: We found significant heritability estimates for both ambulatory and office BP in this Swiss population-based study. Our findings justify the ongoing search for the genetic determinants of BP.