Quantification of Biological Tissue and Construction of Patient Equivalent Phantom (Skull and Chest) for Infants (1-5 years old)

Our main purpose in this study was to quantify biological tissue in computed tomography (CT) examinations with the aim of developing a skull and a chest patient equivalent phantom (PEP), both specific to infants, aged between 1 and 5 years old. This type of phantom is widely used in the development of optimization procedures for radiographic techniques, especially in computed radiography (CR) systems. In order to classify and quantify the biological tissue, we used a computational algorithm developed in Matlab (R). The algorithm performed a histogram of each CT slice followed by a Gaussian fitting of each tissue type. The algorithm determined the mean thickness for the biological tissues (bone, soft, fat, and lung) and also converted them into the corresponding thicknesses of the simulator material (aluminum, PMMA, and air). We retrospectively analyzed 148 CT examinations of infant patients, 56 for skull exams and 92 were for chest. The results provided sufficient data to construct a phantom to simulate the infant chest and skull in the posterior anterior or anterior posterior (PA/AP) view. Both patient equivalent phantoms developed in this study can be used to assess physical variables such as noise power spectrum (NPS) and signal to noise ratio (SNR) or perform dosimetric control specific to pediatric protocols.

Ultra-sound cutting and fusing of biological tissue,

Selections from Russian-language book by B. V. Petrovskiy and V. I. Petrov; Ulʹtrazvukovaya Rezka i Svarka Biologischeskikh Tkaney, 1972, Moscow pp. 9-37, 58-61.

An object-oriented designed finite-difference time-domain simulator for electromagnetic analysis and design in MRI - application to high field analyses

This paper presents a finite-difference time-domain (FDTD) simulator for electromagnetic analysis and design applications in MRI. It is intended to be a complete FDTD model of an MRI system including all RF and low-frequency field generating units and electrical models of the patient. The pro-ram has been constructed in an object-oriented framework. The design procedure is detailed and the numerical solver has been verified against analytical solutions for simple cases and also applied to various field calculation problems. In particular, the simulator is demonstrated for inverse RF coil design, optimized source profile generation, and parallel imaging in high-frequency situations. The examples show new developments enabled by the simulator and demonstrate that the proposed FDTD framework can be used to analyze large-scale computational electromagnetic problems in modern MRI engineering. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

PARP inhibition attenuates histopathological lesion in ischemia/reperfusion renal mouse model after cold prolonged ischemia.

We test the hypothesis that PARP inhibition can decrease acute tubular necrosis (ATN) and other renal lesions related to prolonged cold ischemia/reperfusion (IR) in kidneys preserved at 4°C in University of Wisconsin (UW) solution. Material and Methods. We used 30 male Parp1(+/+) wild-type and 15 male Parp1(0/0) knockout C57BL/6 mice. Fifteen of these wild-type mice were pretreated with 3,4-dihydro-5-[4-(1-piperidinyl)butoxyl]-1(2H)-isoquinolinone (DPQ) at a concentration of 15 mg/kg body weight, used as PARP inhibitor. Subgroups of mice were established (A: IR 45 min/6 h; B: IR + 48 h in UW solution; and C: IR + 48 h in UW solution plus DPQ). We processed samples for morphological, immunohistochemical, ultrastructural, and western-blotting studies. Results. Prolonged cold ischemia time in UW solution increased PARP-1 expression and kidney injury. Preconditioning with PARP inhibitor DPQ plus DPQ supplementation in UW solution decreased PARP-1 nuclear expression in renal tubules and renal damage. Parp1(0/0) knockout mice were more resistant to IR-induced renal lesion. In conclusion, PARP inhibition attenuates ATN and other IR-related renal lesions in mouse kidneys under prolonged cold storage in UW solution. If confirmed, these data suggest that pharmacological manipulation of PARP activity may have salutary effects in cold-stored organs at transplantation.

Numerical model of the human cornea based on stromal microstructure: identification of mechanical properties for two age groups

The optical quality of the human eye mainly depends on the refractive performance of the cornea. The shape of the cornea is a mechanical balance between intraocular pressure and tissue intrinsic stiffness. Several surgical procedures in ophthalmology alter the biomechanics of the cornea to provoke local or global curvature changes for vision correction. Legitimated by the large number of surgical interventions performed every day, the demand for a deeper understanding of corneal biomechanics is rising to improve the safety of procedures and medical devices. The aim of our work is to propose a numerical model of corneal biomechanics, based on the stromal microstructure. Our novel anisotropic constitutive material law features a probabilistic weighting approach to model collagen fiber distribution as observed on human cornea by Xray scattering analysis (Aghamohammadzadeh et. al., Structure, February 2004). Furthermore, collagen cross-linking was explicitly included in the strain energy function. Results showed that the proposed model is able to successfully reproduce both inflation and extensiometry experimental data (Elsheikh et. al., Curr Eye Res, 2007; Elsheikh et. al., Exp Eye Res, May 2008). In addition, the mechanical properties calculated for patients of different age groups (Group A: 65-79 years; Group B: 80-95 years) demonstrate an increased collagen cross-linking, and a decrease in collagen fiber elasticity from younger to older specimen. These findings correspond to what is known about maturing fibrous biological tissue. Since the presented model can handle different loading situations and includes the anisotropic distribution of collagen fibers, it has the potential to simulate clinical procedures involving nonsymmetrical tissue interventions. In the future, such mechanical model can be used to improve surgical planning and the design of next generation ophthalmic devices.

Caputo Derivatives in Viscoelasticity: A Non-Linear Finite-Deformation Theory for Tissue

Mathematics Subject Classification: 26A33, 74B20, 74D10, 74L15

Tissue Equivalent Phantom Design for Optimization of a Coherent Scatter Imaging System

Scatter in medical imaging is typically cast off as image-related noise that detracts from meaningful diagnosis. It is therefore typically rejected or removed from medical images. However, it has been found that every material, including cancerous tissue, has a unique X-ray coherent scatter signature that can be used to identify the material or tissue. Such scatter-based tissue-identification provides the advantage of locating and identifying particular materials over conventional anatomical imaging through X-ray radiography. A coded aperture X-ray coherent scatter spectral imaging system has been developed in our group to classify different tissue types based on their unique scatter signatures. Previous experiments using our prototype have demonstrated that the depth-resolved coherent scatter spectral imaging system (CACSSI) can discriminate healthy and cancerous tissue present in the path of a non-destructive x-ray beam. A key to the successful optimization of CACSSI as a clinical imaging method is to obtain anatomically accurate phantoms of the human body. This thesis describes the development and fabrication of 3D printed anatomical scatter phantoms of the breast and lung.

The purpose of this work is to accurately model different breast geometries using a tissue equivalent phantom, and to classify these tissues in a coherent x-ray scatter imaging system. Tissue-equivalent anatomical phantoms were designed to assess the capability of the CACSSI system to classify different types of breast tissue (adipose, fibroglandular, malignant). These phantoms were 3D printed based on DICOM data obtained from CT scans of prone breasts. The phantoms were tested through comparison of measured scatter signatures with those of adipose and fibroglandular tissue from literature. Tumors in the phantom were modeled using a variety of biological tissue including actual surgically excised benign and malignant tissue specimens. Lung based phantoms have also been printed for future testing. Our imaging system has been able to define the location and composition of the various materials in the phantom. These phantoms were used to characterize the CACSSI system in terms of beam width and imaging technique. The result of this work showed accurate modeling and characterization of the phantoms through comparison of the tissue-equivalent form factors to those from literature. The physical construction of the phantoms, based on actual patient anatomy, was validated using mammography and computed tomography to visually compare the clinical images to those of actual patient anatomy.

Tissue Microarray Is A Reliable Method For Immunohistochemical Analysis Of Pleomorphic Adenoma.

To determine the most adequate number and size of tissue microarray (TMA) cores for pleomorphic adenoma immunohistochemical studies. Eighty-two pleomorphic adenoma cases were distributed in 3 TMA blocks assembled in triplicate containing 1.0-, 2.0-, and 3.0-mm cores. Immunohistochemical analysis against cytokeratin 7, Ki67, p63, and CD34 were performed and subsequently evaluated with PixelCount, nuclear, and microvessel software applications. The 1.0-mm TMA presented lower results than 2.0- and 3.0-mm TMAs versus conventional whole section slides. Possibly because of an increased amount of stromal tissue, 3.0-mm cores presented a higher microvessel density. Comparing the results obtained with one, two, and three 2.0-mm cores, there was no difference between triplicate or duplicate TMAs and a single-core TMA. Considering the possible loss of cylinders during immunohistochemical reactions, 2.0-mm TMAs in duplicate are a more reliable approach for pleomorphic adenoma immunohistochemical study.

Application Of Laser Microdissection Icp-ms For High Resolution Elemental Mapping In Mouse Brain Tissue: A Comparative Study With Laser Ablation Icp-ms.

Mapping of elements in biological tissue by laser induced mass spectrometry is a fast growing analytical methodology in life sciences. This method provides a multitude of useful information of metal, nonmetal, metalloid and isotopic distribution at major, minor and trace concentration ranges, usually with a lateral resolution of 12-160 µm. Selected applications in medical research require an improved lateral resolution of laser induced mass spectrometric technique at the low micrometre scale and below. The present work demonstrates the applicability of a recently developed analytical methodology - laser microdissection associated to inductively coupled plasma mass spectrometry (LMD ICP-MS) - to obtain elemental images of different solid biological samples at high lateral resolution. LMD ICP-MS images of mouse brain tissue samples stained with uranium and native are shown, and a direct comparison of LMD and laser ablation (LA) ICP-MS imaging methodologies, in terms of elemental quantification, is performed.

Assessment of the differential linear coherent scattering coefficient of biological samples

New differential linear coherent scattering coefficient, mu(CS), data for four biological tissue types (fat pork, tendon chicken, adipose and fibroglandular human breast tissues) covering a large momentum transfer interval (0.07 <= q <= 70.5 nm(-1)), resulted from combining WAXS and SAXS data, are presented in order to emphasize the need to update the default data-base by including the molecular interference and the large-scale arrangements effect. The results showed that the differential linear coherent scattering coefficient demonstrates influence of the large-scale arrangement, mainly due to collagen fibrils for tendon chicken and fibroglandular breast samples, and triacylglycerides for fat pork and adipose breast samples at low momentum transfer region. While, at high momentum transfer, the mu(CS) reflects effects of molecular interference related to water for tendon chicken and fibroglandular samples and, fatty acids for fat pork and adipose samples. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Study of the one dimensional and transient bioheat transfer equation: Multi-layer solution development and applications

: In this work we derive an analytical solution given by Bessel series to the transient and one-dimensional (1D) bioheat transfer equation in a multi-layer region with spatially dependent heat sources. Each region represents an independent biological tissue characterized by temperature-invariant physiological parameters and a linearly temperature dependent metabolic heat generation. Moreover, 1D Cartesian, cylindrical or spherical coordinates are used to define the geometry and temperature boundary conditions of first, second and third kinds are assumed at the inner and outer surfaces. We present two examples of clinical applications for the developed solution. In the first one, we investigate two different heat source terms to simulate the heating in a tumor and its surrounding tissue, induced during a magnetic fluid hyperthermia technique used for cancer treatment. To obtain an accurate analytical solution, we determine the error associated with the truncated Bessel series that defines the transient solution. In the second application, we explore the potential of this model to study the effect of different environmental conditions in a multi-layered human head model (brain, bone and scalp). The convective heat transfer effect of a large blood vessel located inside the brain is also investigated. The results are further compared with a numerical solution obtained by the Finite Element Method and computed with COMSOL Multi-physics v4.1 (c). (c) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Modélisation de la diffraction des ondes de cisaillement en élastographie dynamique ultrasonore

L'élastographie ultrasonore est une technique d'imagerie émergente destinée à cartographier les paramètres mécaniques des tissus biologiques, permettant ainsi d’obtenir des informations diagnostiques additionnelles pertinentes. La méthode peut ainsi être perçue comme une extension quantitative et objective de l'examen palpatoire. Diverses techniques élastographiques ont ainsi été proposées pour l'étude d'organes tels que le foie, le sein et la prostate et. L'ensemble des méthodes proposées ont en commun une succession de trois étapes bien définies: l'excitation mécanique (statique ou dynamique) de l'organe, la mesure des déplacements induits (réponse au stimulus), puis enfin, l'étape dite d'inversion, qui permet la quantification des paramètres mécaniques, via un modèle théorique préétabli. Parallèlement à la diversification des champs d'applications accessibles à l'élastographie, de nombreux efforts sont faits afin d'améliorer la précision ainsi que la robustesse des méthodes dites d'inversion. Cette thèse regroupe un ensemble de travaux théoriques et expérimentaux destinés à la validation de nouvelles méthodes d'inversion dédiées à l'étude de milieux mécaniquement inhomogènes. Ainsi, dans le contexte du diagnostic du cancer du sein, une tumeur peut être perçue comme une hétérogénéité mécanique confinée, ou inclusion, affectant la propagation d'ondes de cisaillement (stimulus dynamique). Le premier objectif de cette thèse consiste à formuler un modèle théorique capable de prédire l'interaction des ondes de cisaillement induites avec une tumeur, dont la géométrie est modélisée par une ellipse. Après validation du modèle proposé, un problème inverse est formulé permettant la quantification des paramètres viscoélastiques de l'inclusion elliptique. Dans la continuité de cet objectif, l'approche a été étendue au cas d'une hétérogénéité mécanique tridimensionnelle et sphérique avec, comme objectifs additionnels, l'applicabilité aux mesures ultrasonores par force de radiation, mais aussi à l'estimation du comportement rhéologique de l'inclusion (i.e., la variation des paramètres mécaniques avec la fréquence d'excitation). Enfin, dans le cadre de l'étude des propriétés mécaniques du sang lors de la coagulation, une approche spécifique découlant de précédents travaux réalisés au sein de notre laboratoire est proposée. Celle-ci consiste à estimer la viscoélasticité du caillot sanguin via le phénomène de résonance mécanique, ici induit par force de radiation ultrasonore. La méthode, dénommée ARFIRE (''Acoustic Radiation Force Induced Resonance Elastography'') est appliquée à l'étude de la coagulation de sang humain complet chez des sujets sains et sa reproductibilité est évaluée.

Quantitative ultrasound imaging during shear wave propagation for application related to breast cancer diagnosis

Dans le contexte de la caractérisation des tissus mammaires, on peut se demander ce que l’examen d’un attribut en échographie quantitative (« quantitative ultrasound » - QUS) d’un milieu diffusant (tel un tissu biologique mou) pendant la propagation d’une onde de cisaillement ajoute à son pouvoir discriminant. Ce travail présente une étude du comportement variable temporel de trois paramètres statistiques (l’intensité moyenne, le paramètre de structure et le paramètre de regroupement des diffuseurs) d’un modèle général pour l’enveloppe écho de l’onde ultrasonore rétrodiffusée (c.-à-d., la K-distribution homodyne) sous la propagation des ondes de cisaillement. Des ondes de cisaillement transitoires ont été générés en utilisant la mèthode d’ imagerie de cisaillement supersonique ( «supersonic shear imaging » - SSI) dans trois fantômes in-vitro macroscopiquement homogènes imitant le sein avec des propriétés mécaniques différentes, et deux fantômes ex-vivo hétérogénes avec tumeurs de souris incluses dans un milieu environnant d’agargélatine. Une comparaison de l’étendue des trois paramètres de la K-distribution homodyne avec et sans propagation d’ondes de cisaillement a montré que les paramètres étaient significativement (p < 0,001) affectès par la propagation d’ondes de cisaillement dans les expériences in-vitro et ex-vivo. Les résultats ont également démontré que la plage dynamique des paramétres statistiques au cours de la propagation des ondes de cisaillement peut aider à discriminer (avec p < 0,001) les trois fantômes homogènes in-vitro les uns des autres, ainsi que les tumeurs de souris de leur milieu environnant dans les fantômes hétérogénes ex-vivo. De plus, un modéle de régression linéaire a été appliqué pour corréler la plage de l’intensité moyenne sous la propagation des ondes de cisaillement avec l’amplitude maximale de déplacement du « speckle » ultrasonore. La régression linéaire obtenue a été significative : fantômes in vitro : R2 = 0.98, p < 0,001 ; tumeurs ex-vivo : R2 = 0,56, p = 0,013 ; milieu environnant ex-vivo : R2 = 0,59, p = 0,009. En revanche, la régression linéaire n’a pas été aussi significative entre l’intensité moyenne sans propagation d’ondes de cisaillement et les propriétés mécaniques du milieu : fantômes in vitro : R2 = 0,07, p = 0,328, tumeurs ex-vivo : R2 = 0,55, p = 0,022 ; milieu environnant ex-vivo : R2 = 0,45, p = 0,047. Cette nouvelle approche peut fournir des informations supplémentaires à l’échographie quantitative statistique traditionnellement réalisée dans un cadre statique (c.-à-d., sans propagation d’ondes de cisaillement), par exemple, dans le contexte de l’imagerie ultrasonore en vue de la classification du cancer du sein.

Développement d'une nouvelle méthode de caractérisation tissulaire basée sur l'élastographie ultrasonore : application pour le dépistage précoce du cancer du sein

Le cancer du sein est le cancer le plus fréquent chez la femme. Il demeure la cause de mortalité la plus importante chez les femmes âgées entre 35 et 55 ans. Au Canada, plus de 20 000 nouveaux cas sont diagnostiqués chaque année. Les études scientifiques démontrent que l'espérance de vie est étroitement liée à la précocité du diagnostic. Les moyens de diagnostic actuels comme la mammographie, l'échographie et la biopsie comportent certaines limitations. Par exemple, la mammographie permet de diagnostiquer la présence d’une masse suspecte dans le sein, mais ne peut en déterminer la nature (bénigne ou maligne). Les techniques d’imagerie complémentaires comme l'échographie ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont alors utilisées en complément, mais elles sont limitées quant à la sensibilité et la spécificité de leur diagnostic, principalement chez les jeunes femmes (< 50 ans) ou celles ayant un parenchyme dense. Par conséquent, nombreuses sont celles qui doivent subir une biopsie alors que leur lésions sont bénignes. Quelques voies de recherche sont privilégiées depuis peu pour réduire l`incertitude du diagnostic par imagerie ultrasonore. Dans ce contexte, l’élastographie dynamique est prometteuse. Cette technique est inspirée du geste médical de palpation et est basée sur la détermination de la rigidité des tissus, sachant que les lésions en général sont plus rigides que le tissu sain environnant. Le principe de cette technique est de générer des ondes de cisaillement et d'en étudier la propagation de ces ondes afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu via un problème inverse préétabli. Cette thèse vise le développement d'une nouvelle méthode d'élastographie dynamique pour le dépistage précoce des lésions mammaires. L'un des principaux problèmes des techniques d'élastographie dynamiques en utilisant la force de radiation est la forte atténuation des ondes de cisaillement. Après quelques longueurs d'onde de propagation, les amplitudes de déplacement diminuent considérablement et leur suivi devient difficile voir impossible. Ce problème affecte grandement la caractérisation des tissus biologiques. En outre, ces techniques ne donnent que l'information sur l'élasticité tandis que des études récentes montrent que certaines lésions bénignes ont les mêmes élasticités que des lésions malignes ce qui affecte la spécificité de ces techniques et motive la quantification de d'autres paramètres mécaniques (e.g.la viscosité). Le premier objectif de cette thèse consiste à optimiser la pression de radiation acoustique afin de rehausser l'amplitude des déplacements générés. Pour ce faire, un modèle analytique de prédiction de la fréquence de génération de la force de radiation a été développé. Une fois validé in vitro, ce modèle a servi pour la prédiction des fréquences optimales pour la génération de la force de radiation dans d'autres expérimentations in vitro et ex vivo sur des échantillons de tissu mammaire obtenus après mastectomie totale. Dans la continuité de ces travaux, un prototype de sonde ultrasonore conçu pour la génération d'un type spécifique d'ondes de cisaillement appelé ''onde de torsion'' a été développé. Le but est d'utiliser la force de radiation optimisée afin de générer des ondes de cisaillement adaptatives, et de monter leur utilité dans l'amélioration de l'amplitude des déplacements. Contrairement aux techniques élastographiques classiques, ce prototype permet la génération des ondes de cisaillement selon des parcours adaptatifs (e.g. circulaire, elliptique,…etc.) dépendamment de la forme de la lésion. L’optimisation des dépôts énergétiques induit une meilleure réponse mécanique du tissu et améliore le rapport signal sur bruit pour une meilleure quantification des paramètres viscoélastiques. Il est aussi question de consolider davantage les travaux de recherches antérieurs par un appui expérimental, et de prouver que ce type particulier d'onde de torsion peut mettre en résonance des structures. Ce phénomène de résonance des structures permet de rehausser davantage le contraste de déplacement entre les masses suspectes et le milieu environnant pour une meilleure détection. Enfin, dans le cadre de la quantification des paramètres viscoélastiques des tissus, la dernière étape consiste à développer un modèle inverse basé sur la propagation des ondes de cisaillement adaptatives pour l'estimation des paramètres viscoélastiques. L'estimation des paramètres viscoélastiques se fait via la résolution d'un problème inverse intégré dans un modèle numérique éléments finis. La robustesse de ce modèle a été étudiée afin de déterminer ces limites d'utilisation. Les résultats obtenus par ce modèle sont comparés à d'autres résultats (mêmes échantillons) obtenus par des méthodes de référence (e.g. Rheospectris) afin d'estimer la précision de la méthode développée. La quantification des paramètres mécaniques des lésions permet d'améliorer la sensibilité et la spécificité du diagnostic. La caractérisation tissulaire permet aussi une meilleure identification du type de lésion (malin ou bénin) ainsi que son évolution. Cette technique aide grandement les cliniciens dans le choix et la planification d'une prise en charge adaptée.

A flow system for the on-line quantitative measurement of the retention of dosage forms on biological surfaces using spectroscopy and image analysis

Measuring the retention, or residence time, of dosage forms to biological tissue is commonly a qualitative measurement, where no real values to describe the retention can be recorded. The result of this is an assessment that is dependent upon a user's interpretation of visual observation. This research paper outlines the development of a methodology to quantitatively measure, both by image analysis and by spectrophotometric techniques, the retention of material to biological tissues, using the retention of polymer solutions to ocular tissue as an example. Both methods have been shown to be repeatable, with the spectrophotometric measurement generating data reliably and quickly for further analysis.