Theoretical and experimental analysis of the diffusion of light generated by a light emitting diode inside tissue-like media

The knowledge of the spatial distribution of light within a biological tissue exited by a light source (LASER or LED) is fundamental to achieve optimal photodynamic treatment. In this paper, we develop an analytical model relative to the diffuse fluence rate within a tissue-like medium irradiated by a continuous-wave light emitting diode (LED). The model is based on the two dimensional Fourier transform and applied to a homogeneous tissue slab. The total fluence rate along the axis of the medium was computed by adding the collimated and the diffuse components. The analytical solution was also used to study the depth evolution of the photon fluence rate as functions of the finite source beam size and the tissue optical parameters. Measurement results were performed using a tank filled with a liquid-simulating turbid medium (milk) illuminated with a LED beam. The experimental behaviour results agree with the theoretical predictions

Theoretical and experimental analysis of the diffusion of light generated by a light emitting diode inside tissue-like media

The knowledge of the spatial distribution of light within a biological tissue exited by a light source (LASER or LED) is fundamental to achieve optimal photodynamic treatment. In this paper, we develop an analytical model relative to the diffuse fluence rate within a tissue-like medium irradiated by a continuous-wave light emitting diode (LED). The model is based on the two dimensional Fourier transform and applied to a homogeneous tissue slab. The total fluence rate along the axis of the medium was computed by adding the collimated and the diffuse components. The analytical solution was also used to study the depth evolution of the photon fluence rate as functions of the finite source beam size and the tissue optical parameters. Measurement results were performed using a tank filled with a liquid-simulating turbid medium (milk) illuminated with a LED beam. The experimental behaviour results agree with the theoretical predictions

Experimental Study of Light Propagation in Apple Tissues Using a Multispectral Imaging System

This work aimed at high lighting the role played by the skin in the light propagation through the apple flesh. A multispectral Visible-Near Infrared (Vis-NIR) steady-state imaging setup based on the use of four continuous laser sources (633, 763, 784, and 852 nm) and a charge–coupled–device (CCD) camera was developed to record light diffusion inside apple tissues. Backscattering images and light reflectance profiles were studied to reveal optical features of three whole and half-cut apple varieties with and without skin. The optical absorption and scattering properties (µa, µ’s) of intact apples and peeled apples were also retrieved in reflectance mode, using an optimal sensing range of 2.8–10 mm. A relative difference for ∆µa ranging from 3.4% to 24.7% was observed for intact apples with respect to peeled apples. Under the same conditions, no significant changes were noted for ∆µ’s, which ranged from 0.1% to 1.7%. These findings show that the apple skin cannot be ignored when using Vis-NIR optical imaging as a non-destructive sensing means to reveal major quality attributes of fruits

Comparison of clinical presentation of respiratory tract infections in H1N1/09-positive and H1N1/09-negative patients

The true burden of influenza in children is difficult to assess and is probably underestimated as clinical signs are usually nonspecific, and formal viral identification is rarely searched. In this study, we compare the clinical features of infections related to the new H1N1/09 influenza virus with infections due to other respiratory viruses in children consulting in a tertiary care pediatric hospital in Geneva. Between October 1, 2009 and February 10, 2010, 109 patients were recruited, with a median of age of 7years (range 0.1-18). There were 75 H1N1/09-positive patients (69%), and 32 (43%) had identified risk factors such as asthma or a history of wheezing. Fever (87%), cough (92%), and rhinitis (85%) were the most frequent reported presenting symptoms in both patient groups. H1N1/09-positive patients were significantly older (median of 8.2 vs. 4.6years) and were more likely to have risk factors (43% vs. 24%) and myalgias (41% vs. 20%). H1N1/09-negative patients had more wheezing episodes (29% vs. 9%), higher rates of dyspnea (28% vs. 20%) and of hospital admissions (35% vs. 16%). Conclusion: Clinical signs cannot reliably differentiate H1N1/09-positive and H1N1/09-negative patients, although we found a higher proportion of myalgias in H1N1/09-positive patients. Severity of disease was lower in H1N1/09-positive than in H1N1/09-negative patients, mostly because of a higher proportion of asthma/wheezing episodes among H1N1/09-negative patient

Influence of the size and skin thickness of apple varieties on the retrieval of internal optical properties using Vis/NIR spectroscopy: A Monte Carlo-based study

Visible/near-infrared spectroscopy is a well-established method to measure optical properties of tissues, assuming that a light propagation model can be used to recover absorption and reduced scattering coefficients from non-invasive probing. Spectroscopic measurements have achieved success in non-destructive assessment of apple optical properties and quality attributes. However, the spectroscopy of apples must consider the size of the fruit and the presence of the thin skin layer that surrounds the flesh, to correctly read the signals acquired on the boundary. In this research, the fruit was modelled as a two layer spherical structure with various radii and finite thickness of the upper skin layer. Monte Carlo computations were performed to generate time-resolved reflectance and spatially-resolved reflectance measurements. Simulated data were then fitted using a procedure based on Levenberg–Marquardt algorithm with specific semi-infinite models. The errors in the retrieved optical properties of the flesh (absorption coefficient μa, and reduced scattering coefficient μ′s) were studied as functions of apple radius, skin thickness, and source–detector distance, for given optical parameter sets assigned to the flesh and the skin. The results suggest that the time-resolved reflectance spectroscopy may probe optical properties of the flesh regardless of the skin layer, when a sufficient source–detector distance (15 mm) is used for the measurements. Similar results were found in case of using the spatially resolved spectroscopy, because measurements extend up to 15–29 mm by steps of 1 mm or 2 mm. The computations also show that the curvature of the boundary has noticeable effect on the errors in the retrieved optical coefficients of the flesh. However, results from time-resolved spectroscopy are more influenced by the size of apples, compared with the spatially-resolved spectroscopy

Contribution à l'appréhension des signaux d'hyperémie réactionnelle détectés par effet Doppler laser (modélisation, traitement des signaux et implications cliniques)

Une modification de la microcirculation peut jouer un rôle important dans l'étiologie et l'issue des maladies vasculaires. Les pathologies ciblées incluent le diabète, l'hypertension et les artériopathies oblitérantes des membres inférieurs. Les signaux d'hyperémie réactionnelle visualisés par la technique du laser Doppler permettent l'analyse de la microcirculation sanguine à l'endroit étudié. L'objectif du travail est de modéliser, d'analyser l'interaction lumière-érythrocytes et de traiter les signaux laser Doppler d'hyperémie réactionnelle. La modélisation analytique proposée permet de conclure que, pendant l'hyperémie réactionnelle, les érythrocytes atteignent leur vitesse d'équilibre très rapidement dans les vaisseaux de la microcirculation. La vasodilatation et la vasoconstriction commandent les variations du signal de perfusion microvasculaire : le flux capillaire augmente en amplitude avec la vasodilatation. Plus les variations du rayon des vaisseaux sont rapides, plus le taux de modification de la perfusion microvasculaire est élevé. Par ailleurs, la modélisation numérique par la méthode des éléments finis dans le cas stationnaire met en évidence l'importance du gradient de pression...ANGERS-BU Médecine-Pharmacie (490072105) / SudocPARIS-BIUP (751062107) / SudocSudocFranceF

Contribution à la modélisation et à la simulation numérique de la spectroscopie optique des tissus biologiques (application à l'imagerie moléculaire de fluorescence résolue en temps)

Le diagnostic des tumeurs à un stade précoce est une clé indispensable à la lutte contre le cancer. Les techniques de détection se sont donc développées, notamment dans le domaine de l'optique biomédicale. Ce travail de thèse s'inscrit dans ce domaine d'étude. Nous proposons dans ce manuscrit une description et une comparaison des modèles statistique et déterministe mis en oeuvre pour simuler la propagation de la lumière dans les tissus biologiques par les méthodes de Monte Carlo, Monte Carlo hybride et les éléments finis avec intégration du processus de fluorescence exogène. La performance de la méthode des éléments finis a permis d'étudier la sensibilité des signaux de fluorescence résolus en temps en analysant l'influence de différents paramètres structurels et informels. Enfin , deux techniques de reconstruction d'images des tissus analysés sont implémentées. Pour ce faire, les méthodes d'inversion proposées ( Gauss Newton et méthode gradients conjugués ) sont non linéaires et font appel à des processus itératifs cherchant à optimiser les résultats obtenus par les simulations résolues par la méthode des éléments finis. Une adaptation stratégique et automatique du maillage est réalisée et intégrée dans le modèle d'inversion non linéaire. Une confrontation des deux méthodes est effectuée pour différents cas d'étude. Nous considérons tout d'abord un domain dans lequel est inséré une unique source fluorescente. Puis, le milieu biologique est simulé avec deux objets fluorescents. Nous étudions l'influence sur les images reconstruites de la distance entre les deux tumeurs ainsi que l'effet de la présence de fluorescence résiduelle au sein des tissus biologiques environnants.The diagnosis of tumours at an early stage is an essential key to fight cancer, that is why many diagnostic techniques are under development, particularly in the biomedical optics domain. The work undertaken in this thesis has been done to contributeto the evolution of these techniques. In this manuscript, we propose a description and a comparison of statistical and deterministic models implementedto simulate the propagation of light in biological tissues by Monte Carlo, hybrid Monte Carlo and finite elements, taking into account the exogenous fluorescence process. The efficiency of the finite elementmethod allows us to study the sensitivity of time-resolved fluorescence signals by analysing the influence of many structural and informal parameters. Finally, two image recontruction techniques are implemented. The proposed inversion methods ( Gauss Newton and the conjugate gradient method) are non linear and ask for an iterative optimisation process. They are based on the direct problem which is solved by the finite element method. Then, a strategic and automatic mesh refinement is carried out and integrated into the non linear inverse model. A comparison of the convergence properties of the two methods is proposed for many study case studies. First, we consider a domain in which a single fluorescent object is inserted. Then, the biological medium is simulated with two fluorescent embedded targets. We study the influence, on the reconstructed images, of the distance between the two objects and the impact of the residual fluorescence in the surrounding tissues.ANGERS-BU Médecine-Pharmacie (490072105) / SudocSudocFranceF

Analyse temps-fréquence par la transformée en S et interprétation des signaux de fluximétrie laser Doppler (applications au diagnostic clinique)

La technique de fluxmétrie laser Doppler (LDF), est basée sur l'élargissement spectral d'une lumière monochromatique, qui interagit avec les globules rouges en mouvement dans le tissu. La densité spectrale de puissance de la lumière rétro-diffusée peut être utilisée pour l'estimation de la perfusion microvasculaire du tissu. L'objectif principal de ce travail est l'exploration de l'information contenue dans ce signal pour comprendre les phénomènes physiologiques qui se manifestent dans la microcirculation et de proposer des solutions d'aide au diagnostic des pathologies correspondantes. Le problème d'aide à la décision peut se présenter en étapes d'extraction de caractéristiques, réduction de dimensions et reconnaissance de formes. La représentation du signal est une étape cruciale pour l'interprétation et la prise de décision. Dans ce travail, la transformée en S, une représentation temps-fréquence linéaire qui surpasse le problème de la transformée de Fourier à fenêtre glissante de longueur fixe et qui corrige aussi la notion de phase dans la transformée en ondelettes pour l'analyse des signaux non stationnaires, est présentée. Cette transformée fournit un espace très convenable pour l'extraction de caractéristiques et la localisation en temps et en fréquences de l'information discriminante dans le signal LDF. Cette nouvelle approche a permis, entre autres, d'analyser les cinq fréquences caractéristiques contenues dans les signaux LDF et d'apporter une contributionà l'appréhension des signaux d'hypérémie réactionnelle. Du fait que les représentations temps-fréquence linéaires ont une dimension élevée, leur succès repose sur une forme appropriée de réduction e dimensions. La décomposition en valeurs singuli eres des coe+-cients du plan temps-fréquence se montre très prometteuse pour garder les informations pertinentes du signal et rejeter celles qui ne le sont pas. Ses vecteurs singuliers reflètent le comportement spectral dans le temps des différentes activités physiologiques présentes dans le signal de fluxmétrie laser Doppler.The laser Doppler flowmetry (LDF) technique is based on the spectral broadening of monochromatic light, that interacts with moving red blood cells in tissue. The power spectral density of the backscattered light can be processed to yield an estimate of microvascular tissue perfusion in the form of a signal. The primary objective of this work is to explore the information contained in this signal in order to understand the physiological phenomena which appear in the microcirculation and to present solutions of assistance in the diagnosis of corresponding pathologies. The decision problem may be divided into the stages of feature extraction, dimensionality reduction and pattern recognition. This work shows that decision performance depends largely upon the signal representation. The study relies on the S transform, a linear time-frequency representation which overcomes the short time Fourier transform fixed length window limitation and the phase notion in the wavelet transform for non stationary signal analysis. This transform provides a powerful framework for feature extraction, localizing the discriminant information in the laser Doppler flowmetry signal in time and in frequency. This new approach makes possible the analysis of the five characteristic frequencies contained in laser Doppler flowmetry signals and contributes to the apprehension of the signals of reactive hyperaemia. In addition, due to the high dimension of time-frequency representations, its success relies upon an appropriate form of dimensionality reduction. It is shown that the singular values decomposition provides an effective means of concentrating that information which is important, and discarding that which is irrelevant. Its singular vectors reflect the behavior spectral in the time of the various physiological activities present in the laser Doppler flowmetry signal.PARIS-Arts et Métiers (751132303) / SudocSudocFranceF

Endométriose pulmonaire (rapport d'un cas)

L'auteur rapporte un cas d'endométriose pulmonaire révélée par des hémoptysies cataméniales. La littérature rapporte 104 cas dont 63 ont pu être analysés. L'endométriose broncho-pulmonaire, affection rare, se manifeste par des hémoptysies cataméniales, rarement par des douleurs thoraciques. Elle peut être de découverte fortuite. Le mécanisme physiopathologique le plus communément retenu consiste en une migration hématogène faisant suite à un acte invasif sur l'utérus qui est retrouvé deux fois sur trois dans les antécédents. Les données de l'imagerie ne sont pas spécifiques, les lésions sont sujettes à une variation de taille pendant le cycle menstruel. L'endoscopie bronchique objective une fois sur deux un saignement pendant les menstruations et peut montrer une plaque d'endométriose trachéale ou bronchique. Le traitement repose à l'heure actuelle essentiellement sur les agonistes de la LH-RH et la chirurgie thoracoscopique vidéo-assistée. L'évolution à long terme n'est pas connuePARIS12-CRETEIL BU Médecine (940282101) / SudocPARIS-BIUM (751062103) / SudocSudocFranceF

Etude de l'influence de la microstructure et des paramètres de coupe sur le comportement en tournage dur de l'acier à roulement 100Cr6

Aujourd'hui, en raison des contraintes environnementales et économiques, l'usinage fait parti des domaines en plein développement. Le tournage dur est un procédé récent qui permet d usiner des aciers traités avec des duretés élevées supérieures à 45 HRc. Il permet en particulier d obtenir, sans lubrification, des pièces avec un état de surface et une précision proche de ceux issus de la rectification. La maîtrise du procédé d usinage nécessite la compréhension des mécanismes intervenant dans la zone de coupe. Ces derniers dépendent d une part de la nature de l outil utilisé et d autre part du matériau. Cette étude concerne principalement l effet de la microstructure d un acier à roulement sur l usinabilité et les caractéristiques d intégrité de surface. Cet acier (100Cr6) a été étudié avec différents états métallurgiques caractérisés par la présence ou non de carbures dans une matrice bainitique ou martensitique. Les deux états métallurgiques ont été étudiés pour des duretés identiques comprises entre 45 HRc et 59 HRc. Plusieurs techniques d analyses mécaniques et thermiques ont permis de mieux comprendre les mécanismes moteurs lors de la formation des copeaux en usinage dur. En particulier, un thermotribomètre a été utilisé pour décrire l influence de la microstructure et la dureté sur la tribologie du couple 100Cr6-cBN. En effet, il est montré que le coefficient de frottement augmente avec la présence de carbures. Un banc d essais de barres Hopkinson a permis d identifier par approche inverse les lois de comportement de type Johnson-Cook pour les différents états métallurgiques. Les essais ont été conduits sur des éprouvettes chapeaux permettant de reproduire le cisaillement dynamique de la zone primaire de cisaillement générée dans la coupe. L influence de la dureté sur les constantes d écoulement a été mise en évidence. Des essais de chariotage ont été ensuite menés. Les résultats ont montré une faible sensibilité des efforts de coupe suivant l état métallurgique du matériau. Trois comportements différents ont été observés avec la vitesse de coupe. L évolution de l intégrité de surface en fonction des paramètres de coupe a été quantifiée par l analyse de l état de surface et des contraintes résiduelles. L état de surface est amélioré pour de faibles avances, pour une dureté de 55 HRc et avec la présence de carbures. Une dureté élevée et l absence de carbure ont tendance à générer des contraintes superficielles de plus en plus en compression. Des essais complémentaires en coupe orthogonale ont permis d examiner les aspects thermiques, par caméra CCD-Proche Infrarouge, de la zone de coupe. De plus, l analyse des copeaux et des couches blanches a été menée. Il est montré que la présence des carbures fait augmenter la température de l émergence de la zone de cisaillement secondaire alors qu elle fait diminuer la température de l émergence de la zone primaire de cisaillement. L existence de la couche blanche sur la face arrière des copeaux et sur les surfaces usinées a été établie. Il est montré qu elle est d autant plus intense pour des vitesses élevées et plus homogène pour l état métallurgique sans carbure. Un cisaillement très localisé et une élévation de la température favorisent son apparition. Enfin, nous expliquons ces influences à travers une comparaison des résultats obtenus avec ceux de l étude comportementale.Due to environmental and economic constraints, machining is currently a field under development. Hard turning is a recently developed process which makes it possible to machine hardened steels (i.e. with hardnesses higher than 45 HRc). It is possible to obtain, without lubrication, a part with a precision and surface quality near to those resulting from grinding. The control of the machining process requires the comprehension of the mechanisms intervening in the cutting zone. These depend both on the nature of the tool used and on the material. This study is principally concerned with the effect of the microstructure on the machinability of bearing steel and the resulting surface integrity. The bearing steel (100Cr6) was studied in various metallurgical states characterized by the presence or absence of carbides in a bainitic or martensitic matrix. The two metallurgical states were studied for identical hardnesses ranging between 45 HRc and 59 HRc. Several mechanical and thermal analyses techniques were used to better understand the driving mechanisms during the formation of chips. In particular, a thermotribometer was used to describe the influence of the microstructure and hardness on the tribology of the interface 100Cr6-cBN. Indeed, it is shown that the presence of carbides increases the coefficient of friction. Hopkinson bar tests made it possible to identify, by a reverse approach, the Johnson-Cook material behaviour laws for different metallurgical states. The tests were carried out on hat-shaped specimens. With this type of test it is possible to reproduce the dynamic shearing in the primary shear zone generated in the cut. The influence of hardness on the yield values was highlighted. Conventional straight turning tests (3D turning) were then carried out. The results showed that the cutting force is relatively insensitive to the metallurgical state of the material. Three different types of behaviour were observed with the cutting speed. The evolution of the surface integrity with respect to the cutting parameters was quantified by the resulting surface quality and residual stress measurements. The surface quality is improved for slow advances, a hardness of 55 HRc and with the presence of carbides. High hardness and the absence of carbides tend to generate more compressive surface residual stresses. Complementary orthogonal cutting tests (2D turning) made it possible to examine the thermal aspects of the cutting zone, by using a CCD-Near Infra-red camera. In addition, the analysis of the chips and white layers were carried out. It is shown that the presence of carbides increase the temperature of the secondary shear zone, whereas they decrease the temperature at the emergence of the primary shear zone. The existence of a white layer on the reverse faces of the chips and on the machined surfaces was established. It is shown that the white layer is more intense for high speeds and more homogeneous for the metallurgical state without carbide. Very localised shearing and a rise in the temperature support its appearance. Lastly, we will explain these influences through a comparison of the results obtained with those of the material behaviour study.ST ETIENNE-ENISE (422182303) / SudocPARIS-Arts et Métiers (751132303) / SudocSudocFranceF