Developing correlative Optical-Photoacustic microscopy for high-resolution in vivo imaging

PhotoAcoustic Imaging (PAI) is a branch in clinical and pre-clinical imaging, that refers to the techniques mapping acoustic signals caused by the absorption of the short laser pulse. This conversion of electromagnetic energy of the light to the mechanical (acoustic) energy is usually called photoacoustic effect. PAI, by combining optical excitation with acoustical detection, is able to preserve the diffraction limited spatial resolution. At the same time, the penetration depth is extended beyond the diffusive limit. The Laser-Scanning PhotoAcoustic Microscope system (LS-PAM) has been developed, that offers the axial resolution of 7.75 µm with the lateral resolution better than 10 µm. The first in vivo imaging experiments were carried out. Thus, in vivo label-free imaging of the mouse ear was performed. The principle possibility to image vessels located in deep layers of the mouse skin was shown. As well as that, a gold printing sample, vasculature of the Chick Chorioallantoic Membrane Assay, Drosophila larvae were imaged by PAI. During the experimental work, a totally new application of PAM was found, in which the acoustic waves, generated by incident light can be used for further imaging of another sample. In order to enhance the performance of the presented system two main recommendation can be offered. First, the current system should be transformed into reflection-mode setup system. Second, a more powerful source of light with the sufficient repetition rate should be introduced into the system.

Consumer neuroscience: usability of brain imaging methods in marketing research

Consumer neuroscience (neuromarketing) is an emerging field of marketing research which uses brain imaging techniques to study neural conditions and processes that underlie consumption. The purpose of this study was to map this fairly new and growing field in Finland by studying the opinions of both Finnish consumers and marketing professionals towards it and comparing the opinions to the current consumer neuroscience literature, and based on that evaluate the usability of brain imaging techniques as a marketing research method. Mixed methods research design was chosen for this study. Quantitative data was collected from 232 consumers and 28 marketing professionals by means of online surveys. Both respondent groups had either neutral opinions or lacked knowledge about the four themes chosen for this study: benefits, limitations and challenges, ethical issues and future prospects of consumer neuroscience. Qualitative interview data was collected from 2 individuals from Finnish neuromarketing companies to deepen insights gained from quantitative research. The four interview themes were the same as in the surveys and the interviewees’ answers were mostly in line with the current literature, although more optimistic about the future of the field. The interviews also exposed a gap between academic consumer neuroscience research and practical level applications. The results of this study suggest that there are still many unresolved challenges and relevant populations either have neutral opinions or lack information about consumer neuroscience. The practical level applications are, however, already being successfully used and this new field of marketing research is growing both globally and in Finland.

Visual Customer Segmentation and Data Exploration with the Self-Organizing Map

Advancements in information technology have made it possible for organizations to gather and store vast amounts of data of their customers. Information stored in databases can be highly valuable for organizations. However, analyzing large databases has proven to be difficult in practice. For companies in the retail industry, customer intelligence can be used to identify profitable customers, their characteristics, and behavior. By clustering customers into homogeneous groups, companies can more effectively manage their customer base and target profitable customer segments. This thesis will study the use of the self-organizing map (SOM) as a method for analyzing large customer datasets, clustering customers, and discovering information about customer behavior. Aim of the thesis is to find out whether the SOM could be a practical tool for retail companies to analyze their customer data.

Assessment of physiological potential of cucumber seeds using the software Seedling Vigor Imaging System® (SVIS®)

The software Seed Vigor Imaging System (SVIS®), has been successfully used to evaluate seed physiological potential by automated analyses of scanned seedlings. In this research, the efficiency of this system was compared to other tests accepted for assessing cucumber (Cucumis sativus L.) seed vigor of distinct seed lots of Supremo and Safira cultivars. Seeds were subjected to germination, traditional and saturated salt accelerated aging, seedling emergence, seedling length and SVIS analyses (determination of vigor indices and seedling growth uniformity, lengths of primary root, hypocotyl and whole seedlings). It was also determined whether the definition of seedling growth/uniformity ratios affects the sensitivity of the SVIS®. Results showed that analyses SVIS have provided consistent identification of seed lots performance, and have produced information comparable to those from recommended seed vigor tests, thus demonstrating a suitable sensitivity for a rapid and objective evaluation of physiological potential of cucumber seeds. Analyses of four-days-old cucumber seedlings using the SVIS® are more accurate and growth/uniformity does not affect the precision of results.

Computerized imaging analysis of seedlings for assessment of physiological potential of wheat seeds

Nowadays, image analysis is one of the most modern tools in evaluating physiological potential of seeds. This study aimed at verifying the efficiency of the seedling imaging analysis to assess physiological potential of wheat seeds. The seeds of wheat, cultivars IAC 370 and IAC 380, each of which represented by five different lots, were stored during four months under natural environmental conditions of temperature (T) and relative humidity (RH), in municipality of Piracicaba, Stated of São Paulo, Brazil. For this, bimonthly assessments were performed to quantify moisture content and physiological potential of seeds by means of tests of: germination, first count, accelerated aging, electrical conductivity, seedling emergence, and computerized analysis of seedlings, using the Seed Vigor Imaging System (SVIS®). It has been concluded that the computerized analyses of seedling through growth indexes and vigor, using the SVIS®, is efficient to assess physiological potential of wheat seeds.

Cardiac Imaging in the Diagnosis of Coronary Artery Disease: The Value of Quantitative Imaging of Myocardial Perfusion and Deformation

Atherosclerosis is a chronic and progressive disease of the vasculature. Increasing coronary atherosclerosis can lead to obstructive coronary artery disease (CAD) or myocardial infarction. Computed tomography angiography (CTA) allows noninvasive assessment of coronary anatomy and quantitation of atherosclerotic burden. Myocardial blood flow (MBF) can be accurately measured in absolute terms (mL/g/min) by positron emission tomography (PET) with [15O] H O as a radiotracer. We studied the coronary microvascular dysfunction as a risk factor for future coronary calcification in healthy young men by measuring the coronary flow reserve (CFR) which is the ratio between resting and hyperemic MBF. Impaired vasodilator function was not linked with accelerated atherosclerosis 11 years later. Currently, there is a global interest in quantitative PET perfusion imaging. We established optimal thresholds of [15O] H O PET perfusion for diagnosis of CAD (hyperemic MBF of 2.3 mL/g/min and CFR of 2.5) in the first multicenter study of this type (Turku, Amsterdam and Uppsala). In myocardial bridging a segment of the coronary artery travels inside the myocardium and can be seen as intramural course (CTA) or systolic compression (invasive coronary angiography). Myocardial bridging is frequently linked with proximal atherosclerotic plaques. We used quantitative [15O] H O PET perfusion to evaluate the hemodynamic effects of myocardial bridging. Myocardial bridging was not associated with decreased absolute MBF or increased atherosclerotic burden. Speckle tracking allows quantitative echocardiographic imaging of myocardial deformation. Speckle tracking during dobutamine stress echocardiography was feasible and comparable to subjective wall motion analysis in the diagnosis of CAD. In addition, it correctly risk stratified patients with multivessel disease and extensive ischemia.

Consumer neuroscience: usability of brain imaging methods in marketing research

Consumer neuroscience (neuromarketing) is an emerging field of marketing research which uses brain imaging techniques to study neural conditions and processes that underlie consumption. The purpose of this study was to map this fairly new and growing field in Finland by studying the opinions of both Finnish consumers and marketing professionals towards it and comparing the opinions to the current consumer neuroscience literature, and based on that evaluate the usability of brain imaging techniques as a marketing research method. Mixed methods research design was chosen for this study. Quantitative data was collected from 232 consumers and 28 marketing professionals by means of online surveys. Both respondent groups had either neutral opinions or lacked knowledge about the four themes chosen for this study: benefits, limitations and challenges, ethical issues and future prospects of consumer neuroscience. Qualitative interview data was collected from 2 individuals from Finnish neuromarketing companies to deepen insights gained from quantitative research. The four interview themes were the same as in the surveys and the interviewees’ answers were mostly in line with the current literature, although more optimistic about the future of the field. The interviews also exposed a gap between academic consumer neuroscience research and practical level applications. The results of this study suggest that there are still many unresolved challenges and relevant populations either have neutral opinions or lack information about consumer neuroscience. The practical level applications are, however, already being successfully used and this new field of marketing research is growing both globally and in Finland.

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

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

Autocrine loop in the purinergic control of airway surface liquid volume : monitoring with a novel side-view imaging technique

La Fibrose Kystique (FK) est une maladie dégénérative qui entraine une dégénération des poumons dû au problème de clairance mucociliaire (CMC). Le volume de surface liquide (SL) couvrant les cellules pulmonaires est essentiel à la clairance de mucus et au combat contre les infections. Les nucléotides extracellulaires jouent un rôle important dans la CMC des voies aériennes, en modifiant le volume de la SL pulmonaire. Cependant, les mécanismes du relâchement de l’ATP et de leurs déplacements à travers la SL, restent inconnus. Des études ultérieures démontrent que l’exocytose d’ATP mécano-sensible et Ca2+-dépendant, dans les cellules A549, est amplifié par les actions synergétiques autocrine/paracrine des cellules avoisinantes. Nous avions comme but de confirmer la présence de la boucle purinergique dans plusieurs modèles de cellules épithéliales et de développer un système nous permettant d’observer directement la SL. Nous avons démontrés que la boucle purinergique est fonctionnelle dans les modèles de cellules épithéliales examinés, mis appart les cellules Calu-3. L’utilisation de modulateur de la signalisation purinergique nous a permis d’observer que le relâchement d’ATP ainsi que l’augmentation du [Ca2+]i suivant un stress hypotonique, sont modulés par le biais de cette boucle purinergique et des récepteurs P2Y. De plus, nous avons développé un système de microscopie qui permet d’observer les changements de volume de SL en temps réel. Notre système permet de contrôler la température et l’humidité de l’environnement où se trouvent les cellules, reproduisant l’environnement pulmonaire humain. Nous avons démontré que notre système peut identifier même les petits changements de volume de SL.

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).

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

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

L'élastographie ultrasonore dynamique vasculaire : une nouvelle modalité d'imagerie non-invasive pour la caractérisation mécanique de la thrombose veineuse

L’accident thromboembolique veineux, tel que la thrombose veineuse profonde (TVP) ou thrombophlébite des membres inférieurs, est une pathologie vasculaire caractérisée par la formation d’un caillot sanguin causant une obstruction partielle ou totale de la lumière sanguine. Les embolies pulmonaires sont une complication mortelle des TVP qui surviennent lorsque le caillot se détache, circule dans le sang et produit une obstruction de la ramification artérielle irriguant les poumons. La combinaison d’outils et de techniques d’imagerie cliniques tels que les règles de prédiction cliniques (signes et symptômes) et les tests sanguins (D-dimères) complémentés par un examen ultrasonographique veineux (test de compression, écho-Doppler), permet de diagnostiquer les premiers épisodes de TVP. Cependant, la performance de ces outils diagnostiques reste très faible pour la détection de TVP récurrentes. Afin de diriger le patient vers une thérapie optimale, la problématique n’est plus basée sur la détection de la thrombose mais plutôt sur l’évaluation de la maturité et de l’âge du thrombus, paramètres qui sont directement corrélées à ses propriétés mécaniques (e.g. élasticité, viscosité). L’élastographie dynamique (ED) a récemment été proposée comme une nouvelle modalité d’imagerie non-invasive capable de caractériser quantitativement les propriétés mécaniques de tissus. L’ED est basée sur l’analyse des paramètres acoustiques (i.e. vitesse, atténuation, pattern de distribution) d’ondes de cisaillement basses fréquences (10-7000 Hz) se propageant dans le milieu sondé. Ces ondes de cisaillement générées par vibration externe, ou par source interne à l’aide de la focalisation de faisceaux ultrasonores (force de radiation), sont mesurées par imagerie ultrasonore ultra-rapide ou par résonance magnétique. Une méthode basée sur l’ED adaptée à la caractérisation mécanique de thromboses veineuses permettrait de quantifier la sévérité de cette pathologie à des fins d’amélioration diagnostique. Cette thèse présente un ensemble de travaux reliés au développement et à la validation complète et rigoureuse d’une nouvelle technique d’imagerie non-invasive élastographique pour la mesure quantitative des propriétés mécaniques de thromboses veineuses. L’atteinte de cet objectif principal nécessite une première étape visant à améliorer les connaissances sur le comportement mécanique du caillot sanguin (sang coagulé) soumis à une sollicitation dynamique telle qu’en ED. Les modules de conservation (comportement élastique, G’) et de perte (comportement visqueux, G’’) en cisaillement de caillots sanguins porcins sont mesurés par ED lors de la cascade de coagulation (à 70 Hz), et après coagulation complète (entre 50 Hz et 160 Hz). Ces résultats constituent les toutes premières mesures du comportement dynamique de caillots sanguins dans une gamme fréquentielle aussi étendue. L’étape subséquente consiste à mettre en place un instrument innovant de référence (« gold standard »), appelé RheoSpectris, dédié à la mesure de la viscoélasticité hyper-fréquence (entre 10 Hz et 1000 Hz) des matériaux et biomatériaux. Cet outil est indispensable pour valider et calibrer toute nouvelle technique d’élastographie dynamique. Une étude comparative entre RheoSpectris et la rhéométrie classique est réalisée afin de valider des mesures faites sur différents matériaux (silicone, thermoplastique, biomatériaux, gel). L’excellente concordance entre les deux technologies permet de conclure que RheoSpectris est un instrument fiable pour la mesure mécanique à des fréquences difficilement accessibles par les outils actuels. Les bases théoriques d’une nouvelle modalité d’imagerie élastographique, nommée SWIRE (« shear wave induced resonance dynamic elastography »), sont présentées et validées sur des fantômes vasculaires. Cette approche permet de caractériser les propriétés mécaniques d’une inclusion confinée (e.g. caillot sanguin) à partir de sa résonance (amplification du déplacement) produite par la propagation d’ondes de cisaillement judicieusement orientées. SWIRE a également l’avantage d’amplifier l’amplitude de vibration à l’intérieur de l’hétérogénéité afin de faciliter sa détection et sa segmentation. Finalement, la méthode DVT-SWIRE (« Deep venous thrombosis – SWIRE ») est adaptée à la caractérisation de l’élasticité quantitative de thromboses veineuses pour une utilisation en clinique. Cette méthode exploite la première fréquence de résonance mesurée dans la thrombose lors de la propagation d’ondes de cisaillement planes (vibration d’une plaque externe) ou cylindriques (simulation de la force de radiation par génération supersonique). DVT-SWIRE est appliquée sur des fantômes simulant une TVP et les résultats sont comparés à ceux donnés par l’instrument de référence RheoSpectris. Cette méthode est également utilisée avec succès dans une étude ex vivo pour l’évaluation de l’élasticité de thromboses porcines explantées après avoir été induites in vivo par chirurgie.

Segmentation et exclusion des Gitans de Perpignan : émergence d'une élite politique?

Dans la dernière décennie, une abondante littérature a documenté la situation des Rroms d'Europe Centrale et de l'Est, où a émergé une nouvelle élite politiquement activiste. Mais chez les Tsiganes d'Europe de l'Ouest, l’activisme politique d’une élite semblait absent. Cette étude de terrain a été réalisée chez Gitans de Perpignan, à la recherche d’une action et d’une élite politique chez ce groupe, dans le contexte culturel d’une société segmentaire à pouvoir diffus, frappée d’exclusion par la société majoritaire. En effet, je propose que le concept de société segmentaire puisse s’appliquer aux Gitans, et que l’exclusion des Gitans par les païos (non Gitans) constitue un déni de la réalité relationnelle des Gitans avec la majorité païa. Enfin, l’enquête a révélé la position de «médiateurs culturels» des différents agents qui interviennent entre le monde des Gitans et celui des païos. C’est à travers le rôle de «médiateurs culturels» qu’émerge peut-être une élite politique.