Imagerie de diffusion cardiaque en respiration libre

Diffusion magnetic resonance imaging is a technic allowing a sensitization of the magnetic resonance signal to Brownian motion of water molecules. This method was used to probe structural information of tissue in neuroimaging and became a tool of paramount importance in the management of patient with acute cerebral vascular accident for the detection of ischemic cerebral zone. The motivation is high to develop diffusion magnetic resonance imaging in cardiology which could complete actual cardiac MR method for the diagnostic of acute infarct or myocarditis. However this technique is very sensitive to motion and face in cardiology to breathing and cardiac motion. Until now, the methods proposed to take care of these motions increased considerably the scan time and are not compatible with clinical constraints. The aim of this thesis is to develop cardiac diffusion magnetic resonance imaging compatible with such constraints which could be used for clinical applications. We proposed a new approach of free-breathing technique allowing scanning during all the respiratory cycle. This new diffusion sequence is based on echo navigator, a 1D image given prospectively and in real time the lung/liver interface. The information given by the navigator is used to adapt the slice position according to breathing phase in real time. This method called “slice-following” correct the head foot displacement of the heart induced by the breathing and was validated on a reproducibility study on 10 volunteersL'imagerie par résonance magnétique (IRM) de diffusion est une technique permettant de sensibiliser un signal de résonance magnétique au mouvement brownien des molécules d'eau. Cette méthode a été utilisée pour accéder à l'information structurelle des tissus en neurologie et est devenu un outil crucial de prise en charge des patients à la phase aigüe de l'accident vasculaire cérébral pour la détection de la zone d'ischémie cérébrale. Il est pressenti que de disposer de ce type d'imagerie en cardiologie pourrit compléter avantageusement les outils d'IRM cardiaque pour le diagnostic de pathologie cardiovasculaire courantes, à la phase aigüe ou chronique de l'infarctus du myocarde mais aussi pour le suivi de toutes cardiomyopathies. Cependant cette technique, sensible au mouvement des molécules d'eau, est confrontée en cardiologie aux mouvements cardiaques et respiratoires. Les méthodes présentées actuellement dans la littérature pour faire face à ces mouvements nécessitent des temps d'acquisition considérables et donc incompatible avec une application clinique de l'IRM de diffusion en cardiologie. L'objectif de la thèse est de développer l'IRM de diffusion cardiaque compatible avec les contraintes clinique pour en permettre le transfert vers une application en routine clinique. Notre travail s'est tout d'abord concentré sur le développement d'une technique séquence et d'une stratégie d'acquisition en respiration libre permettant une acquisition continue pendant toute la totalité du cycle respiratoire. Cette séquence de diffusion, utilise l'écho navigateur, image 1D fournissant prospectivement l'information de position de l'interface foie/poumon en temps réel, pour adapter en temps réel la position de coupe en fonction de la phase respiratoire, permettant ainsi de compenser le déplacement tête-pied du coeur induit par la respiration. Cette méthode appelé « slice-following » a été validée pour l'imagerie de diffusion cardiaque dans une étude de reproductibilité conduite sur 10 volontaire

IMAGE FUSION FOR MULTIFOCUS IMAGES USING SPEEDUP ROBUST FEATURES

The multi-focus image fusion technique has emerged as major topic in image processing in order to generate all focus images with increased depth of field from multi focus photographs. Image fusion is the process of combining relevant information from two or more images into a single image. The image registration technique includes the entropy theory. Speed up Robust Features (SURF), feature detector and Binary Robust Invariant Scalable Key points (BRISK) feature descriptor is used in feature matching process. An improved RANDOM Sample Consensus (RANSAC) algorithm is adopted to reject incorrect matches. The registered images are fused using stationary wavelet transform (SWT).The experimental results prove that the proposed algorithm achieves better performance for unregistered multiple multi-focus images and it especially robust to scale and rotation translation compared with traditional direct fusion method.  Â

The impact of signal-to-noise ratio, diffusion-weighted directions and image resolution in cardiac diffusion tensor imaging - insights from the ex-vivo rat heart

Background: Cardiac diffusion tensor imaging (DTI) is limited by scan time and signal-to-noise (SNR) restrictions. This invariably leads to a trade-off between the number of averages, diffusion-weighted directions (ND), and image resolution. Systematic evaluation of these parameters is therefore important for adoption of cardiac DTI in clinical routine where time is a key constraint. Methods: High quality reference DTI data were acquired in five ex-vivo rat hearts. We then retrospectively set 2 ≤ SNR ≤ 97, 7 ≤ ND ≤ 61, varied the voxel volume by up to 192-fold and investigated the impact on the accuracy and precision of commonly derived parameters. Results: For maximal scan efficiency, the accuracy and precision of the mean diffusivity is optimised when SNR is maximised at the expense of ND. With typical parameter settings used clinically, we estimate that fractional anisotropy may be overestimated by up to 13% with an uncertainty of ±30%, while the precision of the sheetlet angles may be as poor as ±31°. Although the helix angle has better precision of ±14°, the transmural range of helix angles may be under-estimated by up to 30° in apical and basal slices, due to partial volume and tapering myocardial geometry. Conclusions: These findings inform a baseline of understanding upon which further issues inherent to in-vivo cardiac DTI, such as motion, strain and perfusion, can be considered. Furthermore, the reported bias and reproducibility provides a context in which to assess cardiac DTI biomarkers

Assessment of morphological and functional properties of the genitourinary system using high resolution MRI

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung und Darstellbarkeit einzelner Kompartimente des Urogenitaltrakts mittels hochaufgelöster Magnetresonanztomografie (MRT). Im Kontext der Schließmuskelregeneration wurde mit Hilfe der MRT der urethrale Schließmuskel eines Tiermodells visualisiert, wodurch im zeitlichen Verlauf die Lokalisierung und Anpassungsfähigkeit des Muskelgewebes nach Injektion von markierten Stammzellen untersucht werden konnte. Hierfür wurde eine robuste, sensitive und nicht-invasive Methode angewendet, um ein essentielles Verständnis der biologischen Effekte im Sphinkter zu erhalten und somit neue zellbasierte Therapien zu entwickeln. Zur Untersuchung weiterer Kompartimente des Urogenitaltrakts wurden die renalen Strukturen Cortex, Medulla und Pelvis ohne die Verwendung von Kontrastmittel anhand hochauflösender MR-Methoden im Probanden evaluiert. Unter Zuhilfenahme optimierter MR-Sequenzen konnten die einzelnen Kompartimente klar strukturiert und durch einen selbstentwickelten automatischen Algorithmus segmentiert werden. Im Vergleich zur manuellen Segmentierung zeigten die berechneten Koeffizienten eine hohe Übereinstimmung zur automatischen Segmentierung der gesamten Nierenregion. Zusätzlich wurde durch den vorgestellten Algorithmus sowohl die Medulla als auch das Nierenbecken automatisch segmentiert. Bisher sind keine Ansätze aus der Literatur bekannt, die das Nierenbecken aus nativen MR-Bildern segmentierten und evaluierten. Die Kombination aus optimierten MR-Bildern, Bildregistrierung und automatischer Segmentierung liefert zuverlässige und wiederholbare Ergebnisse der Volumenbestimmung der gesamten Niere und der renalen Strukturen ohne Zuhilfenahme von Kontrastmittel. Bei einer möglichen Übertragung des entwickelten Algorithmus in die klinische Routine eröffnen sich neue nicht-invasive Möglichkeiten zur Bewertung und Überwachung morphologischer Veränderungen. Zur weiteren Anwendung wurden die segmentierten Areale auf entzerrungskorrigierte funktionelle Diffusionsdatensätze überlagert, um eine regionenbasierte Darstellung der fraktionellen Anisotropie (FA) und der mittleren Diffusivität (MD) zu erhalten. Die Durchführung der Verzerrungskorrektur wurde anhand der „reversed gradient“ Methode verwirklicht. Die erfolgreiche Verzerrungskorrektur konnte durch einen Vergleich der manuellen Segmentierung der MD Karten und den automatisch generierten Masken aus den Anatomiedatensätzen dargelegt werden. Die manuelle Segmentierung ist sehr zeitaufwändig und auf Grund der unscharfen Außenkontur der Niere in den MD Karten äußerst schwierig zu realisieren. Daher erbringt die Fusion von hochaufgelösten, anatomisch segmentierten Masken mit verzerrungskorrigierten funktionellen Daten Vorteile für eine zuverlässige Auswertung. Die berechneten funktionellen Werte zeigten eine gute Übereinstimmung mit Literaturwerten. Lediglich verringerte medullare FA-Werte sind auf die Tatsache zurückzuführen, dass die bisherigen Bewertungsmethoden nur Regionen aus den hellsten Bereichen der funktionellen Bilder mit einbezogen haben. Ein weiterer Vorteil des entwickelten Algorithmus ist somit eine schichtweise Quantifizierung der gesamten Nierenstrukturen, wobei lokale Nierenerkrankungen, wie Zysten oder eine partielle Nekrose, durch eine erweiterte Segmentierung mit in die Beurteilung einbezogen werden können. Die Verhältnisse der Volumina innerhalb der Niere, unter Berücksichtigung der Funktionalität der einzelnen Regionen, ermöglichen nun weitere Erkenntnisse in der Nierendiagnostik

A rule-based method for predicting the electrical activation of the heart with cardiac resynchronization therapy from non-invasive clinical data

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Novel methodologies and technologies for the multiscale and multimodal study of Autism Spectrum Disorders (ASDs)

The aim of this PhD thesis was the development of novel bioengineering tools and methodologies that provide a support in the study of ASDs. ASDs are very heterogeneous disturbs and their abnormalities are present both at local and global level. For this reason a multimodal and multiscale approach was followed. The analysis of microstructure was executed on single Purkinje neurons in culture and on organotypic slices extracted from cerebella of GFP wild-type mice and animal models of ASDs. A methodology for the non-invasive imaging of neurons during their growth was set up and a software called NEMO (NEuron MOrphological analysis tool) for the automatic analysis of morphology and connectivity was developed. Microstructure properties can be inferred also in vivo through the quite recent technique of Diffusion Tensor Imaging (DTI). DTI studies in ASDs are based on the hypothesis that the disorder involves aberrant brain connectivity and disruption of white matter tracts between regions implicated in social functioning. In this study DTI was used to investigate structural abnormalities in the white matter structure of young children with ASDs. Moreover the neurostructural bases of echolalia were investigated. The functionality of the brain was analyzed through Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) using a novel task based on face processing of human, android and robotic faces. A case-control study was performed in order to study how the face processing network is altered in ASDs and how robots are differently processed in ASDs and control groups. Measurements characterizing physiology and behavior of ASD children were also collected using an innovative platform called FACE-T (FACE-Therapy). FACE-T consists of a specially equipped room in which the child, wearing unobtrusive devices for recording physiological and behavioral data as well as gaze information, can interact with an android (FACE, Facial Automaton for Conveying Emotions) and a therapist. The focus was on ECG, as from the analysis of power spectrum density of ECG it is possible to extract features related to the autonomic nervous system that is correlated with brain functionality. These studies give new insights in the study of ASDs exploring aspects not yet addressed. Moreover the methodologies and tools developed could help in the objective characterization of ASD subjects and in the definition of a personalized therapeutic protocol for each child