A multilevel approach to understanding circadian rhythmicity : social and sleep-dependent effects in ants and mice

Résumé françaisLa majorité des organismes vivants sont soumis à l'alternance du jour et de la nuit, conséquence de la rotation de la terre autour de son axe. Ils ont développé un système interne de mesure du temps, appelé horloge circadienne, leur permettant de s'adapter et de synchroniser leur comportement et leur physiologie aux cycles de lumière. Cette dernière est considérée comme étant le signal majeur entraînant l'horloge interne et. par conséquent, les rythmes journaliers d'éveil et de sommeil. Outre sa régulation circadienne, le sommeil est contrôlé par un processus homéostatique qui détermine son besoin. La contribution de ces deux processus dans le fonctionnement cellulaire du cerveau n'a pas encore été investiguée. La mesure de l'amplitude ainsi que de la prévalence des ondes delta de l'EEG (activité delta) constitue un index très fiable du besoin de sommeil. Il a été démontré que cette activité est génétiquement déterminée et associée à un locus de trait quantitatif situé sur le chromosome 13 de la souris.Grâce à des expériences de privation de sommeil et d'analyses de transcriptome du cerveau dans trois souches de souris présentant diverses réponses à la privation de sommeil, nous avons trouvé que Homerla, localisé dans la région d'intérêt du chromosome 13, est le meilleur marqueur du besoin de sommeil. Homerla est impliqué dans la récupération de l'hyperactivité neuronale induite par le glutamate, grâce à son effet tampon sur le calcium intracellulaire. Une fonction fondamentale du sommeil pourrait donc être de protéger le cerveau et de lui permettre de récupérer après une hyperactivité neuronale imposée par une veille prolongée.De plus, nous avons montré que 2032 transcrits sont exprimés rythmiqueraent dans le cerveau de la souris, parmi lesquels seulement 391 le restent après que les animaux aient été privés de sommeil à différents moments au cours des 24 heures. Cette observation montre clairement que la plupart des changements rythmiques au niveau du transcriptome dépendent du sommeil et non de l'horloge circadienne et souligne ainsi l'importance du sommeil dans la physiologie des mammifères.La plupart des expériences concernant les rythmes circadiens ont été réalisées sur des individus isolés en négligeant l'effet du contexte social sur les comportements circadiens. Les espèces sociales, telles que les fourmis, se caractérisent par une division du travail où une répartition des tâches s'effectue entre ses membres. De plus, certaines d'entre elles doivent être pratiquées en continu comme les soins au couvain tandis que d'autres requièrent une activité rythmique comme le fourragement. Ainsi la fourmi est un excellent modèle pour l'étude de 1 influence du contexte social sur les rythmes circadiens.A ces fins, nous avons décidé d'étudier les rythmes circadiens chez une espèce de fourmi Camponotus fellah et de caractériser au niveau moléculaire son horloge circadienne. Nous avons ainsi développé un système vidéo permettant de suivre l'activité locomotrice de tous les individus d'une colonie. Nos résultats montrent que, bien que la plupart des fourmis soient arythmiques à l'intérieur de la colonie, elles développent d'amples rythmes d'activité en isolation. De plus, ces rythmes disparaissent presque aussitôt que la fourmi est réintroduite dans la colonie. Cette rythmicité observée en isolation semble être générée par l'horloge circadienne car elle persiste en condition constante (obscurité totale). Nous avons ensuite regardé si cette apparente arythmie observée dans la colonie résultait d'un effet masquant des interactions sociales sur les rythmes circadiens d'activité. Nos résultats suggèrent que l'horloge interne est fonctionnelle dans la colonie mais que l'expression de ses rythmes au niveau comportemental est inhibée par les interactions sociales. Les analyses moléculaires du statut de l'horloge dans différents contextes sociaux sont actuellement en cours. Le contexte social semble donc un déterminant majeur du comportement circadien chez la fourmi.AbstractAlmost all living organisms on earth are subjected to the alternance of day and night re-sulting from the rotation of the earth around its axis. They have evolved with an internal timing system, termed the circadian clock, enabling them to adapt and synchronize their behavior and physiology to the daily changes in light and related environmental parame¬ters. Light is thought to be the major cue entraining the circadian clock and consequently the rhythms of rest/activity. In addition to its circadian dependent timing, sleep is reg¬ulated by a homeostatic process that determines its need. The contribution of these two processes in the cellular functioning of the brain has not yet been considered. A highly reliable index of the homeostatic process of sleep is the measure of the amplitude and prevalence of the EEG delta waves (delta activity). It has been shown that sleep need, measured by delta activity, is genetically determined and associated with a Quantitative Trait Locus (QTL) located on the mouse chromosome 13. By using sleep deprivation and brain transcriptome profiling in three inbred mouse strains showing different responses to sleep loss, we found that Homerla, localized within this QTL region is the best transcrip¬tional marker of sleep need. Interestingly Homerla is primarily involved in the recovery from glutamate-induced neuronal hyperactivity by its buffering effect on intracellular cal¬cium. A fundamental function of sleep may therefore reside in the protection and recovery of the brain from a neuronal hyperactivity imposed by prolonged wakefulness.Moreover, time course gene expression experiments showed that 2032 brain tran¬scripts present a rhythmic variation, but only 391 of those remain rhythmic when mice are sleep deprived at four time points around the clock. This finding clearly suggests that most changes in gene transcription over the day are sleep-wake dependent rather than clock dependent and underlines the importance of sleep in mammalian physiology.In the second part of this PhD, I was interested in the social influence on circadian behavior. Most experiments done in the circadian field have been performed on isolated individuals and have therefore ignored the effect of the social context on circadian behav-ior. Eusocial insect species such as ants are characterized by a division of labor: colony tasks are distributed among individuals, some of them requiring continuous activity such as nursing or rhythmic ones such as foraging. Thus ants represent a suitable model to study the influence of the social context on the circadian clock and its output rhythms.The aim of this part was to address the effect of social context on circadian rhythms in the ant species Camponotus fellah and to characterize its circadian clock at the molecu¬lar level. We therefore developed a video tracking system to follow the locomotor activity of all individuals in a colony. Our results show that most ants are arrhythmic within the colony, but develop, when subjected to social isolation, strong rhythms of activity that intriguingly disappear when individuals are reintroduced into the colony. The rhythmicity observed in isolated ants seems to be driven by the circadian clock as it persists under constant conditions (complete darkness). We then tested whether the apparent arrhyth- micity in the colony stemmed from a masking effect of social interactions on circadian rhythms. Indeed, we found that circadian clocks of ants in the colony are functional but their expression at the behavioral level is inhibited by social interactions. The molecular assessment of the circadian clock functional state in the different social context is still under investigation. Our results suggest that social context is a major determinant of circadian behavior in ants.

A new approach to accurate measurement of uniaxial joint angles based on a combination of accelerometers and gyroscopes.

A new method of measuring joint angle using a combination of accelerometers and gyroscopes is presented. The method proposes a minimal sensor configuration with one sensor module mounted on each segment. The model is based on estimating the acceleration of the joint center of rotation by placing a pair of virtual sensors on the adjacent segments at the center of rotation. In the proposed technique, joint angles are found without the need for integration, so absolute angles can be obtained which are free from any source of drift. The model considers anatomical aspects and is personalized for each subject prior to each measurement. The method was validated by measuring knee flexion-extension angles of eight subjects, walking at three different speeds, and comparing the results with a reference motion measurement system. The results are very close to those of the reference system presenting very small errors (rms = 1.3, mean = 0.2, SD = 1.1 deg) and excellent correlation coefficients (0.997). The algorithm is able to provide joint angles in real-time, and ready for use in gait analysis. Technically, the system is portable, easily mountable, and can be used for long term monitoring without hindrance to natural activities.

The place preference task: a new tool for studying the relation between behavior and place cell activity in rats

This study describes a task that combines random searching with goal directed navigation. The testing was conducted on a circular elevated open field (80 cm in diameter), with an unmarked target area (20 cm in diameter) in the center of 1 of the 4 quadrants. Whenever the rat entered the target area, the computerized tracking system released a pellet to a random point on the open field. Rats were able to learn the task under light and in total darkness, and on a stable or a rotating arena. Visual information was important in light, but idiothetic information became crucial in darkness. Learning of a new position was quicker under light than in total darkness on a rotating arena. The place preference task should make it possible to study place cells (PCs) when the rats use an allothetic (room frame) or idiothetic (arena frame) representation of space and to compare the behavioral response with the PCs' activity.

Absence of snapshot memory of the target view interferes with place navigation learning by rats in the water maze

Contribution of visual and nonvisual mechanisms to spatial behavior of rats in the Morris water maze was studied with a computerized infrared tracking system, which switched off the room lights when the subject entered the inner circular area of the pool with an escape platform. Naive rats trained under light-dark conditions (L-D) found the escape platform more slowly than rats trained in permanent light (L). After group members were swapped, the L-pretrained rats found under L-D conditions the same target faster and eventually approached latencies attained during L navigation. Performance of L-D-trained rats deteriorated in permanent darkness (D) but improved with continued D training. Thus L-D navigation improves gradually by procedural learning (extrapolation of the start-target azimuth into the zero-visibility zone) but remains impaired by lack of immediate visual feedback rather than by absence of the snapshot memory of the target view.

Heel and toe clearance estimation for gait analysis using wireless inertial sensors.

Tripping is considered a major cause of fall in older people. Therefore, foot clearance (i.e., height of the foot above ground during swing phase) could be a key factor to better understand the complex relationship between gait and falls. This paper presents a new method to estimate clearance using a foot-worn and wireless inertial sensor system. The method relies on the computation of foot orientation and trajectory from sensors signal data fusion, combined with the temporal detection of toe-off and heel-strike events. Based on a kinematic model that automatically estimates sensor position relative to the foot, heel and toe trajectories are estimated. 2-D and 3-D models are presented with different solving approaches, and validated against an optical motion capture system on 12 healthy adults performing short walking trials at self-selected, slow, and fast speed. Parameters corresponding to local minimum and maximum of heel and toe clearance were extracted and showed accuracy ± precision of 4.1 ± 2.3 cm for maximal heel clearance and 1.3 ± 0.9 cm for minimal toe clearance compared to the reference. The system is lightweight, wireless, easy to wear and to use, and provide a new and useful tool for routine clinical assessment of gait outside a dedicated laboratory.

Oscillatory magnetic tweezers based on ferromagnetic beads and simple coaxial coils

We report the design and validation of simple magnetic tweezers for oscillating ferromagnetic beads in the piconewton and nanometer scales. The system is based on a single pair of coaxial coils operating in two sequential modes: permanent magnetization of the beads through a large and brief pulse of magnetic field and generation of magnetic gradients to produce uniaxial oscillatory forces. By using this two step method, the magnetic moment of the beads remains constant during measurements. Therefore, the applied force can be computed and varies linearly with the driving signal. No feedback control is required to produce well defined force oscillations over a wide bandwidth. The design of the coils was optimized to obtain high magnetic fields (280 mT) and gradients (2 T/m) with high homogeneity (5% variation) within the sample. The magnetic tweezers were implemented in an inverted optical microscope with a videomicroscopy-based multiparticle tracking system. The apparatus was validated with 4.5 ¿m magnetite beads obtaining forces up to ~2 pN and subnanometer resolution. The applicability of the device includes microrheology of biopolymer and cell cytoplasm, molecular mechanics, and mechanotransduction in living cells.

Social and temporal organization in an ant colony

Ant colonies are known for their complex and efficient social organization that com-pletely lacks hierarchical structure. However, due to methodological difficulties in follow¬ing all ants of a colony, it was until now impossible to investigate the social and temporal organization of colonies. We developed a tracking system that allows tracking the posi¬tions and orientations of several hundred individually labeled ants continuously, providing for the first time quantitative long term data on all individuals of a colony. These data permit reconstructing trajectories, activity patterns and social networks of all ants in a colony and enable us to investigate ant behavior quantitatively in previously unpreceded ways. By analyzing the spatial positions and social interactions of all ants in six colonies for 41 days we show that ant colonies are organized in groups of nurses, nest patrollers and foragers. Workers of each group were highly interconnected and occupied similar spa¬tial locations in the nest. Groups strongly segregated spatially, and were characterized by unique behavioral signatures. Nurses spent most of their time on the brood. Nest patrollers frequently visited the rubbish pile, and foragers frequently visited the forag¬ing arena. In addition nurses were on average younger than nest patrollers who were, in turn, younger than foragers. We further show that workers had a preferred behav¬ioral trajectory and moved from nursing to nest patrolling, and from nest patrolling to foraging. By analyzing the activity patterns of all ants we show that only a third of all workers in a colony exhibit circadian rhythms and that these rhythms shortened by on av¬erage 42 minutes in constant darkness, thereby demonstrating the presence of a functional endogenous clock. Most rhythmic workers were foragers suggesting that rhythmicity is tightly associated with task. Nurses and nest patrollers were arrhythmic which most likely reflects plasticity of the circadian clock, as isolated workers in many species exhibit circadian rhythmicity. Altogether our results emphasize that ant colonies, despite their chaotic appearance, repose on a strong underlying social and temporal organization. - Les colonies de fourmis sont connues pour leur organisation sociale complexe et effi-cace, charactérisée par un manque absolu de structure hiérarchique. Cependant, puisqu'il est techniquement très difficile de suivre toutes les fourmis d'une colonie, il a été jusqu'à maintenant impossible d'étudier l'organisation sociale et temporelle des colonies de four-mis. Nous avons développé un système qui permet d'extraire en temps réel à partir d'images vidéo les positions et orientations de plusieurs centaines de fourmis marquées individuellement. Nous avons pu ainsi générer pour la première fois des données quanti-tatives et longitudinales relatives à des fourmis appartenant à une colonie. Ces données nous ont permis de reconstruire la trajectoire et l'activité de chaque fourmi ainsi que ses réseaux sociaux. Ceci nous a permis d'étudier de manière exhaustive et objective le com-portement de tous les individus d'une colonie. En analysant les données spatiales et les interactions sociales de toutes les fourmis de six colonies qui ont été filmées pendant 41 jours, nous montrons que les fourmis d'une même colonie se répartissent en trois groupes: nourrices, patrouilleuses et approvisionneuses. Les fourmis d'un même groupe interagis-sent fréquemment et occupent le même espace à l'intérieur du nid. L'espace propre à un groupe se recoupe très peu avec celui des autres. Chaque groupe est caractérisé par un comportement typique. Les nourrices s'affairent surtout autour du couvain. Les pa-trouilleuses font de fréquents déplacements vers le tas d'ordures, et les approvisionneuses sortent souvent du nid. Les nourrices sont en moyenne plus jeunes que les patrouilleuses qui, à leur tour, sont plus jeunes que les approvisionneuses. De plus, nous montrons que les ouvrières changent de tâche au cours de leur vie, passant de nourrice à patrouilleuse puis à approvisionneuse. En analysant l'activité de chaque fourmi, nous montrons que seulement un tiers des ouvrières d'une colonie présente des rythmes circadiens et que ces rythmes diminuent en moyenne de 42 minutes lorsqu'il y a obscurité constante, ce qui démontre ainsi la présence d'une horloge endogène. De plus, la plupart des approvi¬sionneuses ont une activité rythmique alors que les nourrices et patrouilleuses présentent une activité arythmique, ce qui suggère que la rythmicité est étroitement associée à la tâche. L'arythmie des nourrices et patrouilleuses repose probablement sur une plasticité de l'horloge endogène car des ouvrières de nombreuses espèces font preuve d'une ryth¬micité circadienne lorsqu'elles sont isolées de la colonie. Dans l'ensemble nos résultats révèlent qu'une colonie de fourmis se fonde sur une solide organisation sociale et tem¬porelle malgré son apparence chaotique.

A novel approach to reducing number of sensing units for wearable gait analysis systems.

Gait analysis methods to estimate spatiotemporal measures, based on two, three or four gyroscopes attached on lower limbs have been discussed in the literature. The most common approach to reduce the number of sensing units is to simplify the underlying biomechanical gait model. In this study, we propose a novel method based on prediction of movements of thighs from movements of shanks. Datasets from three previous studies were used. Data from the first study (ten healthy subjects and ten with Parkinson's disease) were used to develop and calibrate a system with only two gyroscopes attached on shanks. Data from two other studies (36 subjects with hip replacement, seven subjects with coxarthrosis, and eight control subjects) were used for comparison with the other methods and for assessment of error compared to a motion capture system. Results show that the error of estimation of stride length compared to motion capture with the system with four gyroscopes and our new method based on two gyroscopes was close ( -0.8 ±6.6 versus 3.8 ±6.6 cm). An alternative with three sensing units did not show better results (error: -0.2 ±8.4 cm). Finally, a fourth that also used two units but with a simpler gait model had the highest bias compared to the reference (error: -25.6 ±7.6 cm). We concluded that it is feasible to estimate movements of thighs from movements of shanks to reduce number of needed sensing units from 4 to 2 in context of ambulatory gait analysis.

Virtuaalitodellisuuslaboratorion laiteympäristön kehittäminen - ohjaimet ja ohjelmistot

Tämä diplomityö on tehty osana HumanICT-projektia, jonka tavoitteena on kehittää uusi, virtuaalitekniikoita hyödyntävä, työkoneiden käyttäjäliityntöjen suunnittelumenetelmä. Työn tarkoituksena oli kehittää VTT:n Tuotteet ja tuotanto tutkimusyksikköön kuluvan Ihminen-kone-turvallisuus ryhmän nykyistä virtuaalitodellisuuslaboratoriota siten, että sitä voidaan käyttää työkoneiden suunnittelussa sekä monipuolisissa ergonomiatarkasteluissa. Itse ympäristön kehittäminen pitää sisällään uuden ohjainjärjestelmän suunnittelun sekä sen implementoinnin nykyisin käytössä olevaan virtuaaliympäristöön. Perinteisesti ohjaamosimulaattorit ovat olleet sovelluskohteisiin räätälöityjä, joten ne ovat kalliita ja niiden konfiguroinnin muuttaminen on vaikeaa, joskus jopa mahdotonta. Tämän työntarkoituksena oli kehittää PC-tietokoneeseen ja yleiseen käyttöjärjestelmään perustuva ohjainjärjestelmä, joka on nopeasti kytkettävissä erilaisiin virtuaaliympäristön sovelluksiin, kuten ohjaamomalleihin. Työssä tarkasteltiin myös tapoja mallintaa fysikaalisia ilmiöitä reaaliaikasovelluksissa, eli on-line simuloinnissa. Tämän tarkastelun perusteella etsittiin ja valittiin jatkokäsittelyyn ohjelmistoja, joiden reaaliaikaisen dynamiikan simulointialgoritmitolivat kaikkein kehittyneimpiä ja monipuolisia.

Tuotanto- ja varastohallinnan kehittäminen metallikonepajassa

Työn tavoitteena oli kartoittaa ja analysoida Mesera Paimio Oy:n nykyistä tuotannon- ja varastonhallintaa, kehittää varastojen seurannassa ja ostotoiminnassa käytettäviä toimintoja sekä luoda konkreettinen seurantajärjestelmä Loglift Oy Ab:n siirtopuomien osien varastoinnille. Pääpaino oli varastonhallinta – toiminnon to-teuttamisessa sekä ostotoiminnan ja tuotannon kehittämisessä kustannustehokkaampaan suuntaan. Teorian menetelmistä soveltuvimmat valittiin varastonhallinnan ja tuotannon kehittämisen toteuttamiseen käytännössä, haastattelujen toimiessa työn empiirisenä osana. Päämenetelmänä varastojen ja tuotannon tarkastelussa käytettiin ABC-analyysia ja sen erinäisiä variaatioita, kustannus- ja tuotantorakenteen selvittämiseksi. Analyysejä toteutettiin mm. kysyntä- ja kustannuskohtaisesti mikä toi syvyyttä ja laajuutta tarkasteluun. ABC-analyysien, useiden haastatteluiden ja benchmarkkien antamat tiedot analysoitiin ja pyrittiin toteuttamaan tarvittavat parametrit varastonhallinnan ja tuotannon toiminnalle. Control 9000 – tuotannonohjausjärjestelmään toteutettiin tuotetiedon- ja saldonhallinta – toiminto tarvittavine raportteineen, mitä tullaan jatkossa käyttämään ja soveltamaan mm. Loglift Oy Ab:n siirtopuomien osien varastonseurannassa ja osto- ja tilausprosessissa. Työn tarkoituksena oli myös kartoittaa ja suunnitella materiaalitarvelaskennan ja kustannustehokkaan varastoinnin ja tuotannon suunnittelua ja kehittämistä tulevaisuudessa.

Lähtevien kotimaankuljetusten kehittäminen ja organisointi Puunjalostusyrityksessä

Työn tavoitteena oli selvittää lähtevien kotimaankuljetusten nykytila ja kehit-tämisvaihtoehdot, sekä tutkia mahdollisuutta keskittää kuljetusjärjestelmä. Ensin selvitettiin kuljetusten nykytilan haastattelujen sekä saatavilla olevan materiaalin avulla. Henkilöstön haastattelut toteutettiin henkilökohtaisesti. Toisessa vaiheessa määriteltiin kehittämiskohteet nykytilaselvityksen sekä kuljetusten kehittämistä käsittelevän kirjallisuuden avulla. Selvimpinä epäkohtina pidettiin vähäistä tulosyksiköiden yhteistoimintaa, yhteisen logistiikka-strategian ja toimintapolitiikan puuttumista sekä puutteellista seurantajärjestelmää. Ongelmaksi koettiin myös kuljetusliikkeiden ylikapasiteetin aiheuttamat vaikutukset kuljetushintoihin.Kolmannessa vaiheessa tutkittiin mahdollisuutta siirtyä nykyisestä hajautetusta kuljetusjärjestelmästä keskitettyyn. Selvityksessä käytettiin apuna keskitetyn kuljetusjärjestelmän hypoteettisia ratkaisuvaihtoehtoja. Toimenpide-ehdotuksina esitetään yhteisen logistiikkastrategian laatimista, yksiköiden toimintapolitiikkojen yhdenmukaistamista, sekä tulosyksiköiden yhteistoimintaa kehittävän työryhmän perustamista.

Yrityksen jakelutoimintojen kehittäminen

Diplomityön tavoitteena oli turkiseläinrehun valmistajan, E - P:n Minkinrehu Oy:n, jakelutoimintojen nykytilan analysointi, kehityskohteiden etsiminen ja kehitystoimenpiteiden luominen. Logististen toimintojen nykytilaa pyrittiin selvittämään haastattelujen, tutustumiskäyntien sekä kerätyn aineiston avulla. Mukaan tarkasteluun otettiin myös alan kirjallisuutta. Tutkimuksen perusteella yrityksen suurimmat jakeluongelmat liittyivät puutteelliseen jakelun ja kuljetusten suunnitteluun, penis- ja lisäarvopalveluiden puuttumiseen sekä epämääräiseen jakeluhinnoittelumenetelmään. Osa ongelmista aiheutui toimialan ominaispiirteistä, kuten sesonkiluontoisuudesta, erikoisjakelukaluston käytöstä, kalliista varastointimenetelmistä ja tuotteiden pilaantumisherkkyydestä. Jakeluun liittyviä ongelmia olivat jakelun kohdistamisongelma ja paluukuormien puuttuminen. Edellä mainituista ominaispiirteistä ja ongelmista johtuen jakelu- ja kuljetuskustannukset olivat noin 4,5 miljoonaa euroa eli lähes 20 prosenttia yrityksen liikevaihdosta vuonna 2003. Toimenpide-ehdotusten mukaan yrityksen tulisi lisätä yhteistyötä sekä toimittajien että turkistarhojen eli yrityksen osakkeenomistajien kanssa. Lähitulevaisuudessa olisi paikallaan investoiminen asianmukaiseen ja tehokkaaseen jakelun ja kuljetusten suunnittelu- ja seurantajärjestelmään. Itse jakelussa tulisi siirtyä jakelureittien optimointiin ja naiden optimaalisten jakelureittien käyttöön. Tutkimuksen mukaan jakelussa tulee siirtyä joko asiakaskohtaiseen tai osareittien mukaiseen jakeluvalin harvennukseen sesonkiaikavälillä kesäkuu - joulukuu. Jakeluhinnoittelussa on unohdettava nykyinen vyöhykehinnoittelu ja otettava käyttöön tutkimuksen perusteella jakelun todellisia kustannuksia paremmin vastaava ja asiakkaita tasapuolisesti kohteleva hinnoittelumenetelmä. Yrityksen tulisi jatkossa sisäistää jatkuvan kehityksen periaatteet sekä liiketoiminnassaan että jakelutoiminnoissaan.

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

Sähköisen liikkeenohjauskäytön mitoitus, käyttöönoton dokumentointi ja pakkauslinjasovellukset

Frequency converters have started to gain new market areas in the field of motion control applications. The communication and control properties of frequency converters have reached the properties of traditional servo amplifiers during the past few years. In this thesis a motion control system was examined. This particular system consists of frequency converters, permanent magnet synchronous motors and linear belt drives. The properties and prerequisites for packing are discussed. A test setup was build and measurement sets were done to examine the performance of the system. Speed and accuracy measurements were done in all three dimensions. Based on the measurement results applicability of the system for packing industry was evaluated.

Pedaling rate is an important determinant of human oxygen uptake during exercise on the cycle ergometer.

Estimation of human oxygen uptake (V˙o2) during exercise is often used as an alternative when its direct measurement is not feasible. The American College of Sports Medicine (ACSM) suggests estimating human V˙o2 during exercise on a cycle ergometer through an equation that considers individual's body mass and external work rate, but not pedaling rate (PR). We hypothesized that including PR in the ACSM equation would improve its V˙o2 prediction accuracy. Ten healthy male participants' (age 19-48 years) were recruited and their steady-state V˙o2 was recorded on a cycle ergometer for 16 combinations of external work rates (0, 50, 100, and 150 W) and PR (50, 70, 90, and 110 revolutions per minute). V˙o2 was calculated by means of a new equation, and by the ACSM equation for comparison. Kinematic data were collected by means of an infrared 3-D motion analysis system in order to explore the mechanical determinants of V˙o2. Including PR in the ACSM equation improved the accuracy for prediction of sub-maximal V˙o2 during exercise (mean bias 1.9 vs. 3.3 mL O2 kg(-1) min(-1)) but it did not affect the accuracy for prediction of maximal V˙o2 (P > 0.05). Confirming the validity of this new equation, the results were replicated for data reported in the literature in 51 participants. We conclude that PR is an important determinant of human V˙o2 during cycling exercise, and it should be considered when predicting oxygen consumption.