Multilayered non-invasive temperature estimation from backscattered ultrasound

Roughly one in four breast cancer survivors report some degree of arm oedema. Lymphoedema is a build-up of excess lymph fluids in the tissues. Persistent lymphoedema leads to pain, diminished limb function, increased risk of infection, soft tissue fibrosis, and severe cases can be grossly disfiguring. From a mechanics perspective, the lymphoedemous tissue may be thought of as a two phase composite, consisting of both fluid and solid phases. Here we discuss the use of composites mixture theory to model the mechanics of lymphoedemous tissues. By treating the tissue as a fluid-solid composite, rules-of-mixtures may be used to estimate the effective moduli in terms of the properties of the individual components and their respective volume fractions in these two states.

Open source data sensing software for ultrasonic non-invasive temperature estimation

In this paper, an open source solution for measurement of temperature and ultrasonic signals (RF-lines) is proposed. This software is an alternative to the expensive commercial data acquisition software, enabling the user to tune applications to particular acquisition architectures. The collected ultrasonic and temperature signals were used for non-invasive temperature estimation using neural networks. The existence of precise temperature estimators is an essential point aiming at the secure and effective applica tion of thermal therapies in humans. If such estimators exist then effective controllers could be developed for the therapeutic instrumentation. In previous works the time-shift between RF-lines echoes were extracted, and used for creation of neural networks estimators. The obtained estimators successfully represent the temperature in the time-space domain, achieving a maximum absolute error inferior to the threshold value defined for hyperthermia/diathermia applications.

A soft-computing approach for non-invasive temperature estimation

The domain of thermal therapies applications can be improved with the development of accurate non-invasive timespatial temperature models. These models should represent the non-linear tissue thermal behaviour and be capable of tracking temperature at both time-instant and spatial position. If such estimators exist then efficient controllers for the therapeutic instrumentation could be developed, and the desired safety and effectiveness reached.

Non-invasive measurement of trigeminal nerve somatosensory evoked potentials

Whiplash injuries are common yet enigmatic to substantiate clinically. Trigeminal somatosensory evoked potentials (TSEPs) were posited as an indicator of trigeminal nerve conduction damage resulting from whiplash. Alternating polarity square-wave current stimuli were applied transcutaneously in the facial region. 379 recorded pilot trials from 27 participants (8 male and 19 female) were utilized to develop a non-invasive recording capability for TSEPs. Stimulus intensity and artifact, cortical recording sites, stimulation electrode design and placement were explored. Statistically significant differences in amplitude of TSEP waveform components at 13, 19 and 27 ms between uninjured and whiplashed participants were noted. Increased stimulus intensity in whiplashed participants was observed to increase TSEP amplitude. The present methodology and hardware are discussed and directions for future advancement of the current process are outlined.

An exploratory study for the discovery of non-invasive hepatocellular carcinoma biomarkers among high-risk hepatitis C virus infected patients

Hepatocellular Carcinoma (HCC) is a major healthcare problem, representing the third most common cause of cancer-related mortality worldwide. Chronic infections with Hepatitis B virus (HBV) and/or Hepatitis C virus (HCV) are the major risk factors for the development of HCC. The incidence of HBV -associated HCC is in decline as a result of an effective HBV vaccine; however, since an equally effective HCV vaccine has not yet been developed, there are 130 million HCV infected patients worldwide who are at a high-risk for developing HCC. Because reliable parameters and/or tools for the early detection of HCC among high-risk individuals are severely lacking, HCC patients are always diagnosed at a late stage where surgical solutions or effective treatment are not possible. Using urine as a non-invasive sample source, two different approaches (proteomic-based and genomic-based approaches) were pursued with the common goal of discovering potential biomarker candidates for the early detection of HCC among high-risk chronic HCV infected patients. Urine was collected from 106 HCV infected Egyptian patients, 32 of whom had already developed HCC and 74 patients who were diagnosed as HCC-free at the time of initial sample collection. In addition to these patients, urine samples were also collected from 12 healthy control individuals. Total urinary proteins, Trans-renal nucleic acid (Tr-NA) and microRNA (miRNA) were isolated from urine using novel methodologies and silicon carbide-loaded spin columns. In the first, "proteomic-based", approach, liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) was used to identify potential candidates from pooled urine samples. This was followed by validating relative expression levels of proteins present in urine among all the patients using quantitative real time-PCR (qRT-PCR). This approach revealed that significant over-expression of three proteins: DJ-1, Chromatin Assembly Factor-1 (CAF-1) and 11 Moemen Abdalla HCC Biomarkers Heat Shock Protein 60 (HSP60), were characteristic events among HCC-post HCV infected patients. As a single-based HCC biomarker, CAF-1 over-expression identified HCC among HCV infected patients with a specificity of 90%, sensitivity of 66% and with an overall diagnostic accuracy of 78%. Moreover, the CAF-lIHSP60 tandem identified HCC among HCV infected patients with a specificity of 92%, sensitivity of 61 % and with an overall diagnostic accuracy of 77%. In the second genomic-based approach, two different approaches were processed. The first approach was the miRNA-based approach. The expression levels of miRNAs isolated from urine were studied using the Illumina MicroRNA Expression Profiling Assay. This was followed by qRT-PCR-based validation of deregulated expression of identified miRNA candidates among all the patients. This approach shed the light on the deregulated expression of a number of miRNAs, which may have a role in either the development of HCC among HCV infected patients (i.e. miR-640, miR-765, miR-200a, miR-521 and miR-520) or may allow for a better understanding of the viral-host interaction (miR-152, miR-486, miR-219, miR452, miR-425, miR-154 and miR-31). Moreover, the deregulated expression of both miR-618 and miR-650 appeared to be a common event among HCC-post HCV infected patients. The results of the search for putative targets of these two miRNA suggested that miR-618 may be a potent oncogene, as it targets the tumor-suppressor gene Low density lipoprotein-related protein 12 (LPR12), while miR-650 may be a potent tumor-suppressor gene, as it is supposed to downregulate the TNF receptor-associated factor-4 (TRAF4) oncogene. The specificity of miR-618 and miR-650 deregulated expression patterns for the early detection of HCC among HCV infected patients was 68% and 58%, respectively, whereas the sensitivity was 64% and 72%, respectively. When the deregulated expression of both miRNAs was combined as a tandem biomarker, the specificity and the sensitivity were 75% and 58% respectively. 111 Moemen Abdalla HCC Biomarkers In the second, "Trans-renal nucleic acid-based", approach, the urinary apoptotic nucleic acid (uaNA) levels of 70ng/mL or more were found to be a good predictor of HCC among chronic HCV infected patients. The specificity and the sensitivity of this diagnostic approach were 76% and 86%, respectively, with an overall diagnostic value of 81 %. The uaNA levels positively correlated to HCC disease progression as monitored by epigenetic changes of a panel of eight tumor-suppressor genes (TSGs) using methylation-sensitive PCR. Moreover, the pairing of high uaNA levels (:::: 70 ng/mL) and CAF-1 over-expreSSIOn produced a highly specific (l 00%) multiple-based HCC biomarker with an acceptable sensitivity of 64%, and with a diagnostic accuracy of 82%. In comparison to the previous pairing, the uaNA levels (:::: 70 ng/mL) in tandem with HSP60 over-expression was less specific (89%) but highly sensitive (72%), resulting in a diagnostic accuracy of 64%. The specificities of miR-650 deregulated expression in combination with either high uaNA content or HSP 60 over-expression were 82% and 79%, respectively, whereas, the sensitivities of these combinations were 64% and 58%, respectively. The potential biomarkers identified in this study compare favorably with the diagnostic accuracy of the a-fetoprotein levels test, which has a specificity of 75%, sensitivity of 68% and an overall diagnostic accuracy of 70%. Here we present an intriguing study which shows the significance of using urine as a noninvasive sample source for the identification of promising HCC biomarkers. We have also introduced new techniques for the isolation of different urinary macromolecules, especially miRNA, from urine. Furthermore, we strongly recommend the potential biomarkers indentified in this study as focal points of any future research on HCC diagnosis. A larger testing pool will determine if their use is practical for mass population screening. This explorative study identified potential targets that merit further investigation for the development of diagnostically accurate biomarkers isolated from 1-2 mL urine samples that were acquired in a non-invasive manner.

Infrared thermography: A non-invasive window into thermal physiology

Infrared thermography is a non-invasive technique that measures mid to long-wave infrared radiation emanating from all objects and converts this to temperature. As an imaging technique, the value of modern infrared thermography is its ability to produce a digitized image or high speed video rendering a thermal map of the scene in false colour. Since temperature is an important environmental parameter influencing animal physiology and metabolic heat production an energetically expensive process, measuring temperature and energy exchange in animals is critical to understanding physiology, especially under field conditions. As a non-contact approach, infrared thermography provides a non-invasive complement to physiological data gathering. One caveat, however, is that only surface temperatures are measured, which guides much research to those thermal events occurring at the skin and insulating regions of the body. As an imaging technique, infrared thermal imaging is also subject to certain uncertainties that require physical modeling, which is typically done via built-in software approaches. Infrared thermal imaging has enabled different insights into the comparative physiology of phenomena ranging from thermogenesis, peripheral blood flow adjustments, evaporative cooling, and to respiratory physiology. In this review, I provide background and guidelines for the use of thermal imaging, primarily aimed at field physiologists and biologists interested in thermal biology. I also discuss some of the better known approaches and discoveries revealed from using thermal imaging with the objective of encouraging more quantitative assessment.

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.

Non-invasive investigation of the response to oxidative stress in living cardiomyocytes by studying mitochondrial NAD(P)H

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Validation in-vivo des techniques d’élastographie ultrasonore, invasive et non-invasive, à l’aide d’un modèle porcin

Il est maintenant admis que la composition de la plaque athérosclérotique est un déterminant majeur de sa vulnérabilité à se rompre. Vu que la composition de la plaque affecte ses propriétés mécaniques, l'évaluation locale des propriétés mécaniques de la plaque d'athérome peut nous informer sur sa vulnérabilité. L'objectif est de comparer les techniques d’élastographie ultrasonores endovasculaire (EVE) et non-invasive (NIVE) en fonction de leur potentiel à identifier les composantes calcifiées et lipidiques de la plaque. Les acquisitions intravasculaire et extravasculaire ont été effectuées sur les artères carotidiennes de neuf porcs hypercholestérolémiques à l’aide d’un cathéter de 20 MHz et d'une sonde linéaire de 7.5 MHz, respectivement. Les valeurs de déformation radiale et axiale, rapportés par EVE et NIVE, ont été corrélées avec le pourcentage des zones histologiques calcifiées et lipidiques pour cinq plaques. Nos résultats démontrent une bonne corrélation positive entre les déformations et les composantes calcifiées (r2 = 0.82, P = 0.034 valeur par EVE et r2 = 0.80, P = 0.041 valeur par NIVE). Une forte corrélation entre les déformations axiales et les contenus lipidiques par NIVE (r2 = 0.92, P-value = 0.010) a été obtenue. En conclusion, NIVE et EVE sont des techniques potentielles pour identifier les composants de la plaque et aider les médecins à diagnostiquer précocement les plaques vulnérables.

Characterization of Carotid Plaques with Ultrasound Non-Invasive Vascular Elastography (NIVE) : Feasibility and Correlation with High-Resolution Magnetic Resonance Imaging

L’accident vasculaire cérébral (AVC) est une cause principale de décès et de morbidité dans le monde; une bonne partie des AVC est causée par la plaque d’athérosclérose carotidienne. La prévention de l’AVC chez les patients ayant une plaque carotidienne demeure controversée, vu les risques et bénéfices ambigus associés au traitement chirurgical ou médical. Plusieurs méthodes d’imagerie ont été développées afin d’étudier la plaque vulnérable (dont le risque est élevé), mais aucune n’est suffisamment validée ou accessible pour permettre une utilisation comme outil de dépistage. L’élastographie non-invasive vasculaire (NIVE) est une technique nouvelle qui cartographie les déformations (élasticité) de la plaque afin de détecter les plaque vulnérables; cette technique n’est pas encore validée cliniquement. Le but de ce projet est d’évaluer la capacité de NIVE de caractériser la composition de la plaque et sa vulnérabilité in vivo chez des patients ayant des plaques sévères carotidiennes, en utilisant comme étalon de référence, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) à haute-résolution. Afin de poursuivre cette étude, une connaissance accrue de l’AVC, l’athérosclérose, la plaque vulnérable, ainsi que des techniques actuelles d’imagerie de la plaque carotidienne, est requise. Trente-et-un sujets ont été examinés par NIVE par ultrasonographie et IRM à haute-résolution. Sur 31 plaques, 9 étaient symptomatiques, 17 contenaient des lipides, et 7 étaient vulnérables selon l’IRM. Les déformations étaient significativement plus petites chez les plaques contenant des lipides, avec une sensibilité élevée et une spécificité modérée. Une association quadratique entre la déformation et la quantité de lipide a été trouvée. Les déformations ne pouvaient pas distinguer les plaques vulnérables ou symptomatiques. En conclusion, NIVE par ultrasonographie est faisable chez des patients ayant des sténoses carotidiennes significatives et peut détecter la présence d’un coeur lipidique. Des études supplémentaires de progression de la plaque avec NIVE sont requises afin d’identifier les plaques vulnérables.

Abdominal aortic aneurysm follow-up after endovascular repair in a canine model with non-invasive vascular elastography

Le traitement chirurgical des anévrismes de l'aorte abdominale est de plus en plus remplacé par la réparation endovasculaire de l’anévrisme (« endovascular aneurysm repair », EVAR) en utilisant des endoprothèses (« stent-grafts », SGs). Cependant, l'efficacité de cette approche moins invasive est compromise par l'incidence de l'écoulement persistant dans l'anévrisme, appelé endofuites menant à une rupture d'anévrisme si elle n'est pas détectée. Par conséquent, une surveillance de longue durée par tomodensitométrie sur une base annuelle est nécessaire ce qui augmente le coût de la procédure EVAR, exposant le patient à un rayonnement ionisants et un agent de contraste néphrotoxique. Le mécanisme de rupture d'anévrisme secondaire à l'endofuite est lié à une pression du sac de l'anévrisme proche de la pression systémique. Il existe une relation entre la contraction ou l'expansion du sac et la pressurisation du sac. La pressurisation résiduelle de l'anévrisme aortique abdominale va induire une pulsation et une circulation sanguine à l'intérieur du sac empêchant ainsi la thrombose du sac et la guérison de l'anévrisme. L'élastographie vasculaire non-invasive (« non-invasive vascular elastography », NIVE) utilisant le « Lagrangian Speckle Model Estimator » (LSME) peut devenir une technique d'imagerie complémentaire pour le suivi des anévrismes après réparation endovasculaire. NIVE a la capacité de fournir des informations importantes sur l'organisation d'un thrombus dans le sac de l'anévrisme et sur la détection des endofuites. La caractérisation de l'organisation d'un thrombus n'a pas été possible dans une étude NIVE précédente. Une limitation de cette étude était l'absence d'examen tomodensitométrique comme étalon-or pour le diagnostic d'endofuites. Nous avons cherché à appliquer et optimiser la technique NIVE pour le suivi des anévrismes de l'aorte abdominale (AAA) après EVAR avec endoprothèse dans un modèle canin dans le but de détecter et caractériser les endofuites et l'organisation du thrombus. Des SGs ont été implantés dans un groupe de 18 chiens avec un anévrisme créé dans l'aorte abdominale. Des endofuites de type I ont été créés dans 4 anévrismes, de type II dans 13 anévrismes tandis qu’un anévrisme n’avait aucune endofuite. L'échographie Doppler (« Doppler ultrasound », DUS) et les examens NIVE ont été réalisés avant puis à 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois après l’EVAR. Une angiographie, une tomodensitométrie et des coupes macroscopiques ont été réalisées au moment du sacrifice. Les valeurs de contrainte ont été calculées en utilisant l`algorithme LSME. Les régions d'endofuite, de thrombus frais (non organisé) et de thrombus solide (organisé) ont été identifiées et segmentées en comparant les résultats de la tomodensitométrie et de l’étude macroscopique. Les valeurs de contrainte dans les zones avec endofuite, thrombus frais et organisé ont été comparées. Les valeurs de contrainte étaient significativement différentes entre les zones d'endofuites, les zones de thrombus frais ou organisé et entre les zones de thrombus frais et organisé. Toutes les endofuites ont été clairement caractérisées par les examens d'élastographie. Aucune corrélation n'a été trouvée entre les valeurs de contrainte et le type d'endofuite, la pression de sac, la taille des endofuites et la taille de l'anévrisme.

Towards Non Invasive Diagnosis of Scoliosis Using Semi-supervised Learning Approach

In this paper, a new methodology for the prediction of scoliosis curve types from non invasive acquisitions of the back surface of the trunk is proposed. One hundred and fifty-nine scoliosis patients had their back surface acquired in 3D using an optical digitizer. Each surface is then characterized by 45 local measurements of the back surface rotation. Using a semi-supervised algorithm, the classifier is trained with only 32 labeled and 58 unlabeled data. Tested on 69 new samples, the classifier succeeded in classifying correctly 87.0% of the data. After reducing the number of labeled training samples to 12, the behavior of the resulting classifier tends to be similar to the reference case where the classifier is trained only with the maximum number of available labeled data. Moreover, the addition of unlabeled data guided the classifier towards more generalizable boundaries between the classes. Those results provide a proof of feasibility for using a semi-supervised learning algorithm to train a classifier for the prediction of a scoliosis curve type, when only a few training data are labeled. This constitutes a promising clinical finding since it will allow the diagnosis and the follow-up of scoliotic deformities without exposing the patient to X-ray radiations.

Non-Invasive Prenatal Testing: Review of Ethical, Legal and Social Implications

Article

Non-invasive Studies on Age Related Parameters Using a Blood Volume Pulse Sensor

A non-invasive technique is implemented to measure a parameter which is closely related to the distensibility of large arteries, using the second derivative of the infrared photoplethysmographic waveform. Thirty subjects within the age group of 20-61 years were involved in this pilot study. Two new parameters, namely the area of the photoplethysmographic waveform under the systolic peak, and the ratio of the time delay between the systolic and the diastolic peaks and the time period of the waveform ( T/T) were studied as a function of age. It was found that while the parameter which is supposed to be a marker of distensibility of large arteries and T /T values correlate negatively with age, the area under the systolic peak correlates positively with age. The results suggest that the derived parameters could provide a simple, non-invasive means for studying the changes in the elastic properties of the vascular system as a function of age.