Imagerie par modulation acoustique de conductivité électrique destinée au diagnostic du cancer du sein

RÉSUMÉ Cette thèse porte sur une nouvelle technique d’imagerie médicale qui permet de déterminer la distribution de conductivité électrique des tissus d’une région du corps avec une résolution comparable à celle de techniques courantes d’imagerie par ultrasons. Cette nouvelle technique, appelée imagerie par « modulation acoustique de conductivité électrique » (MACE), est basée sur l’interaction entre une onde acoustique et un champ électrique. Dans sa réalisation expérimentale la plus simple, quatre électrodes placées à proximité de la région à imager appliquent un courant électrique de faible amplitude et mesurent la différence de potentiel résultant du passage du courant dans les tissus. Un transducteur ultrasonore focalisé vient insonifier un voxel de la région d’intérêt, modifiant la distribution de conductivité et, ce faisant, l’amplitude du potentiel mesuré par les électrodes. Une image de la distribution de conductivité peut être obtenue en déplaçant l’ensemble capteur-électrodes pour balayer la région d’intérêt ; l’onde acoustique sert alors d’agent de localisation, tandis que la mesure de potentiel quantifie la variation de conductivité dans chaque voxel insonifié. L’imagerie par MACE présente de nombreux avantages mais aussi des défis importants de mise en œuvre. Puisque ces avantages et défis dépendent de l’application visée, notre démarche a été orientée vers un objectif particulier, soit l’application de l’imagerie par MACE au diagnostic du cancer du sein. Ce choix est justifié par le potentiel que présente cette technique pour discriminer une tumeur maligne des autres tissus mammaires. En effet, des études expérimentales sur des tissus excisés réalisées durant près d’un siècle ainsi que l’apport plus récent des techniques de mesure d’impédance confirment qu’il existe une différence significative dans les spectres fréquentiels de conductivité électrique des tissus cancéreux et sains. Le développement de systèmes de tomographie d’impédance électrique (TIE) orientés vers l’imagerie du sein ne semble pas pouvoir réaliser ce potentiel, principalement parce que la résolution spatiale de la TIE est insuffisante pour détecter les tumeurs à un stade précoce. L’imagerie par MACE pourrait contourner cette limite fondamentale de la TIE. Deux modèles sont proposés dans cette thèse pour réaliser l’imagerie par MACE.----------ABSTRACT This thesis describes a new medical imaging technique for determining the electrical conductivity distribution of tissues in a body region with a resolution comparable to that of current ultrasound techniques. The new technique, henceforth referred to as "Acousto-Electric Conductivity Modulation" (AECM) imaging, is based on the interaction of a sound wave with an electrical field. In its simplest form, four electrodes located near the region to be imaged apply a low-amplitude electrical current and measure the potential difference arising from current flow in the tissues. A focused ultrasound transducer directs a pressure wave to a voxel of the region of interest, modifying its conductivity distribution and, as a result, the amplitude of the potential measured by the electrodes. An image of the conductivity distribution can thus be constructed point-by-point by moving the electrodes and transducer to scan the object. In this context, the acoustic wave acts as the localization agent while the electrical potential provides a measure of the local conductivity change that occurs in the voxel.AECM imaging presents several advantages but also implies addressing significant difficulties in its deployment. Since the advantages and implementation difficulties depend on the intended application, we have focused on achieving a specific objective: applying AECM imaging to the diagnosis of breast cancer. The rationale for this choice is the potential presented by AECM imaging for discriminating cancerous tumors from healthy breast tissue. Indeed, experimental studies on excised tissues carried out over nearly a century, supported by more recent wideband tissue impedance measurements, have shown that there are significant differences in the electrical conductivity spectra of cancerous and normal tissues. Yet electrical impedance tomography (EIT) systems specifically designed for breast imaging do not seem to be capable of providing the required tissue discrimination characteristics, mainly because the low spatial resolution of EIT prevents detecting tumors at an early stage. AECM imaging could overcome this inherent limitation of EIT.Two models are proposed in this thesis for implementing AECM imaging. Formulations for the forward and inverse problems are provided for both models. The forward problem involves computing the AECM signals given the electrical conductivity distribution of the medium and the data acquisition protocol

Optimisation par éléments finis des trajectoires de chauffage par induction pour un traitement thermique robotisé in situ

Dans un contexte où les installations hydroélectriques d’Hydro-Québec sont vieillissantes, l’augmentation de la durée de vie des équipements est un enjeu majeur. Avec l’objectif d’augmenter la durée de vie des réparations de fissures sur les roues de turbine en acier CA6NM, l’Institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ) développe un nouveau procédé robotisé de traitement thermique par induction in situ. Un inducteur de type serpentin est déplacé par le manipulateur SCOMPI, suivant une trajectoire rectiligne va-et-vient. Ce procédé permettra d’effectuer efficacement des traitements thermiques après soudage, nécessaire pour restaurer les propriétés mécaniques dans la zone réparée. Un des aspects critiques du procédé est le contrôle précis du profil de température. Pour la réussite du traitement thermique demandé sur le CA6NM, le profil de température doit respecter une tolérance de ± 10 °C, autour de 620 °C. Dans ce mémoire, une méthode numérique, combinant analyse par éléments finis et techniques d’optimisation est développée. L’objectif est de déterminer les paramètres de chauffe et de trajectoires optimaux pour obtenir un profil de température le plus près possible de la température cible et qui soit le plus uniforme possible. Pour prédire le profil de température, la puissance injectée en un aller-retour de l’inducteur est approximée en utilisant une source moyenne. La validité de cette approximation est vérifiée expérimentalement, sur une géométrie plane et une géométrie courbe. Le profil de température généré par cette source dépend de la géométrie de la trajectoire et de l’inducteur ainsi que de la puissance fournie. Un algorithme de gradient conjugué est ajouté au solveur thermique pour optimiser ces différents paramètres. Premièrement, le profil de température transversal est uniformisé en optimisant la géométrie de l’inducteur et la distance entre l’aller et le retour sur la trajectoire (décalage). Un rayon extérieur de 37 mm, un rayon intérieur de 13 mm ainsi qu’un décalage de 70 mm permettent d’obtenir le profil de température le plus uniforme. Le rayon intérieur n’est pas déterminé par l’optimisation mais par le procédé de fabrication des serpentins. La sélection du diamètre extérieur est également contrainte par le procédé de fabrication et doit représenter un nombre fixe de spires. De plus, Il est trouvé que le décalage optimal est, règle générale, 95 % du diamètre extérieur de l’inducteur. Deuxièmement, le profil de température longitudinal est uniformisé en optimisant la puissance injectée à différentes positions de l’inducteur sur la trajectoire. Troisièmement, pour uniformiser davantage le profil de température, l’orientation de l’inducteur est optimisée. Les angles optimaux trouvés sont de 4,3 ° dans la partie rectiligne de la trajectoire et de 14 ° dans la zone de virage. Les différents essais expérimentaux réalisés ont montré que le modèle est représentatif de la réalité. L’écart relatif obtenu entre les températures calculées et mesurées est en moyenne de 1,5 %. De plus, des résultats concluants sont obtenus lors d’un traitement thermique après soudage effectué en laboratoire

Modélisation électro-magnéto-thermique et optimisation des paramètres de chauffe d'un nouveau système de traitement thermique par induction robotisé

La pérennité des installations hydroélectriques est un enjeu d’actualité au Québec. Les roués de turbine hydraulique, sujettes à la fissuration par fatigue et à une érosion par cavitation, sont parmi les composantes les plus critiques à réparer. Lorsqu’un bris survient, les réparations sont faites par soudage. Or, sur les roues en acier inoxydable martensitique, un traitement thermique est requis après soudage pour diminuer les contraintes résiduelles, restaurer la microstructure, et ainsi maximiser la durée de vie des réparations. Cependant, il est actuellement impossible d’aller effectuer un tel traitement thermique en place. Pour pallier à cette limitation, l’Institut de recherche d’Hydro-Québec développe un système robotisé de traitement thermique in situ par induction. Un inducteur serpentin est assemblé à l’effecteur d’un bras robotisé à six degrés de liberté. L’inducteur est déplacé selon une trajectoire va-et-vient au-dessus de la zone à traiter. Un des aspects critiques pour assurer l’efficacité du traitement thermique est le contrôle précis de la distribution de temperature dans la zone à traiter. Par exemple, sur les roues Francis en CA6NM, une plage de température particulièrement étroite de 620 ± 10°C est requise. Dans cette optique, l’objectif de ce travail de recherche est double. D’une part, il s'agit de développer un modèle numérique du système de chauffage par induction pour prédire la température générée dans la pièce à chauffer. D’autre part, il s’agit de développer une méthode numérique d’optimisation de la trajectoire et des paramètres de chauffage de façon à générer le profil de temperature ciblé. Dans les deux cas, les méthodes numériques développées doivent être suffisamment rapides pour permettre à l’équipe en chantier de s’adapter en un minimum de temps à tout imprévu rencontré. Comme première approche, le flux de chaleur généré par l’inducteur est représenté par une source de chaleur dans un modèle thermique éléments finis. La densité de flux de chaleur générée par l’inducteur en mouvement est considérée proportionnelle au temps que passé l’inducteur au-dessus de chaque point. Une distribution moyenne de densité de puissance sur un cycle de trajectoire est obtenue à chaque pas de temps d’une simulation transitoire. Cette façon de faire diminue grandement le temps de simulation. L’algorithme des gradients conjugués est ajouté au code thermique éléments finis pour optimiser les paramètres de cette source de chaleur moyenne. La puissance électrique, la trajectoire, la géométrie de l’inducteur et la distance inducteur-pièce sont optimisées pour obtenir une distribution de température qui soit la plus uniforme possible et la plus près possible des tolerances demandées, dans une zone donnée. La distribution de température et les paramètres optimaux calculés avec cette approche ont permis d’effectuer avec succès un traitement thermique après soudage sur une plaque d’acier inoxydable martensitique UNS S41500, en laboratoire. Ces résultats démontrent la validité de la source de chaleur moyenne pour modéliser et optimiser le système d’induction. Cependant, le modèle empirique n'est valide que pour une plage limitée de géométrie et de positionnement d’inducteur par rapport à la pièce à chauffer. Afin de représenter avec plus de précision la physique du chauffage par induction et prédire la distribution de température générée par l’inducteur serpentin, un modèle électro-magnétothermique est développé. Le principal défi est de tenir compte de l’effet de la haute fréquence du système d’induction sur la distribution de courant dans l’inducteur et les conducteurs du système. La distribution de courant devient très non-uniforme en raison de l’effet de peau et l’effet de proximité. L’hypothèse d’une distribution de courant uniforme dans les conducteurs souvent utilizes pour modéliser les applications électromagnétiques similaires engendre une erreur importante dans le calcul des pertes par effet Joule dans les composantes du système d’induction. Cette erreur se traduit par une mauvaise évaluation de l'efficacité du système, et donc de la puissance générée dans la pièce à chauffer. Pour calculer avec précision la distribution de courant tout en cherchant à minimiser le temps de calcul, un modèle électromagnétique basé sur une formulation intégrale des équations de Maxwell est utilisé. L’avantage par rapport à la méthode des éléments finis est que seulement les matériaux conducteurs sont considérés, ce qui diminue grandement le nombre d’inconnues. Pour simplifier le modèle, les géométries 3D de l’inducteur et des conducteurs sont respectivement représentées par des géométries 2D axisymétriques et rectilignes. Les conducteurs sont discrétisés en éléments circulaires ou rectilignes à l’intérieur desquels la densité de courant est considérée constante. Chaque élément est représenté par une résistance, une auto-inductance et une inductance mutuelle. La loi de Kirchhoff est utilisée pour former un système linéaire d’équations complexes. Le système est résolu pour obtenir le courant dans chaque élément. L’auto-inductance et l’inductance mutuelle de chaque élément sont calculées à partir des équations d’inductance mutuelle entre deux filaments, placés à une distance égale à la distance moyenne géométrique de leur section. De nouvelles formules d’inductances mutuelles entre filaments circulaires sont développées pour prendre en compte le chauffage de matériaux ferromagnétiques. De nouvelles expressions sont également développées pour calculer la densité de flux magnétique généré par l’inducteur en présence d’un matériau ferromagnétique. Ces nouvelles expressions sont exprimées en fonction des intégrales elliptiques, très efficaces d’un point de vue calcul numérique. Les résultats du modèle électromagnétique multifilament concordent avec ceux obtenus avec un logiciel d’analyse par éléments finis commercial. Le modèle électromagnétique multifilament est ensuite couplé à un modèle thermique différences finies pour calculer la température des conducteurs et à un modèle thermique éléments finis pour calculer la distribution de température dans la pièce à chauffer. Ces modèles sont ensuite couplés à un modèle électrotechnique pour représenter le circuit RLC du système d’induction. Les pertes par hystérésis sont modélisées en utilisant le concept de perméabilité magnétique complexe. La puissance dissipée dans le système d’induction calculée avec le modèle électro-magnéto-thermique est comparée avec des mesures expérimentales. De plus, les distributions de température dans une plaque d’acier inoxydable austénitique UNS S31600 non magnétique et une plaque d’acier au carbone AISI 1045 ferromagnétique sont mesurées et comparées avec les prédictions du modèle. Les résultats confirment la validité et l’efficacité du modèle électro-magnéto-thermique développé

FALCON: a concept to extend adaptive optics corrections to cosmological fields

FALCON is an original concept for a next generation spectrograph at ESO VLT or at future ELTs. It is a spectrograph including multiple small integral field units (IFUs) which can be deployed within a large field of view such as that of VLT/GIRAFFE. In FALCON, each IFU features an adaptive optics correction using off-axis natural reference stars in order to combine, in the 0.8-1.8 \mu m wavelength range, spatial and spectral resolutions (0.1-0.15 arcsec and R=10000+/-5000). These conditions are ideally suited for distant galaxy studies, which should be done within fields of view larger than the galaxy clustering scales (4-9 Mpc), i.e. foV > 100 arcmin2. Instead of compensating the whole field, the adaptive correction will be performed locally on each IFU. This implies to use small miniaturized devices both for adaptive optics correction and wavefront sensing. Applications to high latitude fields imply to use atmospheric tomography because the stars required for wavefront sensing will be in most of the cases far outside the isoplanatic patch.Comment: To appear in the Backaskog "Second Workshop on ELT" SPIE proceeding

Restoration of mitochondrial integrity, telomere length, and sensitivity to oxidation by in vitro culture of Fuchs’ endothelial corneal dystrophy cells

PURPOSE. Fuchs’ endothelial corneal dystrophy (FECD), a degenerative disease of the corneal endothelium that leads to vision loss, is a leading cause of corneal transplantation. The cause of this disease is still unknown, but the implication of oxidative stress is strongly suggested. In this study, we analyzed the impact of FECD on mitochondrial DNA (mtDNA) integrity and telomere length, both of which are affected by the oxidative status of the cell. METHODS. We compared the levels of total mtDNA, mtDNA common deletion (4977 bp), and relative telomere length in the corneal endothelial cells of fresh Descemet’s membraneendothelium explants and cultured cells from healthy and late stage FECD subjects. Oxidantantioxidant gene expression and sensitivity to ultraviolet A (UVA)- and H2O2-induced cell death were assessed in cultured cells. RESULTS. Our results revealed increased mtDNA levels and telomere shortening in FECD explants. We also found that cell culture restores a normal phenotype in terms of mtDNA levels, telomere length, oxidant-antioxidant gene expression balance, and sensitivity to oxidative stress-induced cell death in the FECD cells compared with the healthy cells. CONCLUSIONS. Taken together, these results bring new evidence of the implication of oxidative stress in FECD. They also show that FECD does not evenly affect the integrity of corneal endothelial cells and that cell culture can rehabilitate the molecular phenotypes related to oxidative stress by selecting the more functional FECD cells

Loss of Hepatocyte-Nuclear-Factor-4α Affects Colonic Ion Transport and Causes Chronic Inflammation Resembling Inflammatory Bowel Disease in Mice

BACKGROUND: Hnf4alpha, an epithelial specific transcriptional regulator, is decreased in inflammatory bowel disease and protects against chemically-induced colitis in mice. However, the precise role of this factor in maintaining normal inflammatory homeostasis of the intestine remains unclear. The aim of this study was to evaluate the sole role of epithelial Hnf4alpha in the maintenance of gut inflammatory homeostasis in mice. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: We show here that specific epithelial deletion of Hnf4alpha in mice causes spontaneous chronic intestinal inflammation leading to focal areas of crypt dropout, increased cytokines and chemokines secretion, immune cell infiltrates and crypt hyperplasia. A gene profiling analysis in diseased Hnf4alpha null colon confirms profound genetic changes in cell death and proliferative behaviour related to cancer. Among the genes involved in the immune protection through epithelial barrier function, we identify the ion transporter claudin-15 to be down-modulated early in the colon of Hnf4alpha mutants. This coincides with a significant decrease of mucosal ion transport but not of barrier permeability in young animals prior to the manifestation of the disease. We confirm that claudin-15 is a direct Hnf4alpha gene target in the intestinal epithelial context and is down-modulated in mouse experimental colitis and inflammatory bowel disease. CONCLUSION: Our results highlight the critical role of Hnf4alpha to maintain intestinal inflammatory homeostasis during mouse adult life and uncover a novel function for Hnf4alpha in the regulation of claudin-15 expression. This establishes Hnf4alpha as a mediator of ion epithelial transport, an important process for the maintenance of gut inflammatory homeostasis

First stellar photons for an integrated optics discrete beam combiner at the William Herschel Telescope

We present the first on-sky results of a four-telescope integrated optics discrete beam combiner (DBC) tested at the 4.2mWilliamHerschel Telescope. The device consists of a four-input pupil remapper followed by a DBC and a 23-output reformatter. The whole device was written monolithically in a single alumino-borosilicate substrate using ultrafast laser inscription. The device was operated at astronomical H-band (1.6 μm), and a deformable mirror along with a microlens array was used to inject stellar photons into the device. We report the measured visibility amplitudes and closure phases obtained on Vega and Altair that are retrieved using the calibrated transfer matrix of the device. While the coherence function can be reconstructed, the on-sky results show significant dispersion from the expected values. Based on the analysis of comparable simulations, we find that such dispersion is largely caused by the limited signal-to-noise ratio of our observations. This constitutes a first step toward an improved validation of theDBCas a possible beam combination scheme for long-baseline interferometry. © 2021 Optical Society of America

Post-hatching parental care behaviour and hormonal status in a precocial bird

In birds, the link between parental care behaviour and prolactin release during incubation persists after hatching in altricial birds, but has never been precisely studied during the whole rearing period in precocial species, such as ducks. The present study aims to understand how changes in parental care after hatching are related to circulating prolactin levels in mallard hens rearing ducklings. Blood was sampled in hens over at least 13 post-hatching weeks and the behaviour of the hens and the ducklings was recorded daily until fledging. Contacts between hens and the ducklings, leadership of the ducklings and gathering of them steadily decreased over post-hatching time. Conversely, resting, preening and agonistic behaviour of hens towards ducklings increased. Plasma prolactin concentrations remained at high levels after hatching and then fell after week 6 when body mass and structural size of the young were close to those of the hen. Parental care behaviour declined linearly with brood age, showed a disruption of the hen-brood bond at week 6 post-hatching and was related to prolactin concentration according to a sigmoid function. Our results suggest that a definite threshold in circulating prolactin is necessary to promote and/or to maintain post-hatching parental care in ducks

Normal zone propagation in various REBCO tape architectures

The normal zone propagation velocity (NZPV) of three families of REBCO tape architectures designed for superconducting fault current limiters and to be used in high voltage direct current transmission systems has been measured experimentally in liquid nitrogen at atmospheric pressure. The measured NZPVs span more than three orders of magnitude depending on the tape architectures. Numerical simulations based on finite elements allow us to reproduce the experiments well. The dynamic current transfer length (CTL) extracted from the numerical simulations was found to be the dominating characteristic length determining the NZPV instead of the thermal diffusion length. We therefore propose a simple analytical model, whose key parameters are the dynamic CTL, the heat capacity and the resistive losses in the metallic layers, to calculate the NZPV.The authors acknowledge the funding of this research by FASTGRID Project (EU-H2020, 721019), the Projects COACHSUPENERGY (MAT2014-51778-C2-1-R), SUMATE (RTI2018-095853-BC21 and RTI2018-095853-B-C22) from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness which were cofunded by the European Regional Development Fund, the Project 2017-SGR 753 from Generalitat de Catalunya and the COST Action NANOCOHYBRI (CA16218). Polytechnique Montréal authors also acknowledge NSERC (Canada), FRQNT (Québec), the RQMP infrastructure and CMC microsystems for financial support. ICMAB authors also acknowledge the Center of Excellence awards Severo Ochoa SEV-2015-0496 and CEX2019-000917-S.With funding from the Spanish government through the ‘Severo Ochoa Centre of Excellence’ accreditation (CEX2019-000917-S).Peer reviewe

Overview of the coordinated ground-based observations of Titan during the Huygens mission

Coordinated ground-based observations of Titan were performed around or during the Huygens atmospheric probe mission at Titan on 14 January 2005, connecting the momentary in situ observations by the probe with the synoptic coverage provided by continuing ground-based programs. These observations consisted of three different categories: (1) radio telescope tracking of the Huygens signal at 2040 MHz, (2) observations of the atmosphere and surface of Titan, and (3) attempts to observe radiation emitted during the Huygens Probe entry into Titan's atmosphere. The Probe radio signal was successfully acquired by a network of terrestrial telescopes, recovering a vertical profile of wind speed in Titan's atmosphere from 140 km altitude down to the surface. Ground-based observations brought new information on atmosphere and surface properties of the largest Satumian moon. No positive detection of phenomena associated with the Probe entry was reported. This paper reviews all these measurements and highlights the achieved results. The ground-based observations, both radio and optical, are of fundamental imnortance for the interpretatinn of results from the Huygens mission