Η κατασκευή συστημάτων τομογραφίας του ανθρώπινου ιστού τα οποία θα χρησιμοποιούν το υπέρυθρο φάσμα ακτινοβολίας αποτελεί σημαντική προοπτική για τη δημιουργία νέων ιατρικών διαγνωστικών μεθόδων. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν είναι η μικρή διεισδυτική ικανότητα και ο υψηλός βαθμός απορρόφησης και σκέδασης που παραμορφώνει ισχυρά την ακτινοβολία που διαδίδεται μέσα από τον ανθρώπινο ιστό. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής, μελετήθηκε το πρόβλημα του εντοπισμού της θέσης των αγγείων σε ψηφιακές φωτογραφίες του ανθρώπινου δακτύλου που έχουν ληφθεί στο υπέρυθρο φάσμα. Για τον σκοπό αυτό αναπτύχθηκε μεγάλος αριθμός πρωτότυπων μεθόδων κανονικοποίησης της φωτεινότητας της εικόνας, μη-γραμμικής ενίσχυσης της αντίθεσης, αφαίρεσης των γραμμών δακτυλικών αποτυπωμάτων, εντοπισμού του προτύπου ή δικτύου αγγείων και βελτίωσης του προτύπου των αγγείων χρησιμοποιώντας μεθόδους μαθηματικής μορφολογίας. Συνοπτικά στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτάθηκαν και εξετάσθηκαν διαφορετικές πρωτότυπες μέθοδοι και αλγόριθμοι με επίβλεψη ή χωρίς επίβλεψη για την εξαγωγή του προτύπου αγγείων από υπέρυθρες εικόνες του ανθρώπινου δακτύλου καθώς και διαφορετικές πρωτότυπες μέθοδοι και αλγόριθμοι χωρίς επίβλεψη για την εξαγωγή του δικτύου αγγείων από αμφιβληστροειδικές εικόνες του ανθρώπινου οφθαλμού. Επίσης, η ερευνητική προσπάθεια επικεντρώθηκε στην βελτίωση των εικόνων που λαμβάνονται από το προτεινόμενο σύστημα απόκτησης εικόνων, γεγονός το οποίο οδήγησε στην ανάπτυξη πρωτότυπων μεθόδων προ-επεξεργασίας και τη μετέπειτα βελτίωση των αρχικών αποτελεσμάτων κατάτμησης που προκύπτουν από την εφαρμογή των μεθόδων ή αλγορίθμων κατάτμησης προτύπου αγγείων, γεγονός το οποίο οδήγησε στην ανάπτυξη πρωτότυπων μεθόδων μετά-επεξεργασίας. / The construction of tomographic systems of human tissue which use the infrared spectrum of radiation constitutes an important capability of making new medical diagnostic methods. One of the most crucial problems which must be resolved is the low penetrating ability and the high degree of absorption and scattering which strongly distort the radiation that pass through the human tissue. In this thesis, the problem of the extraction of finger vein pattern from infrared images of finger and the similar problem of retinal vessel tree segmentation were studied. Moreover, the problem of shading and non-uniform illumination correction was also studied in images which suffer from the above problems either due to imperfect set-up of the image acquisition system or due to the interaction between objects and illumination on the scene. In this thesis, existing algorithms were improved and novel algorithms were developed. Both vein pattern extraction algorithms and shading and non-uniform illumination correction algorithms were proposed. The proposed methods include novel preprocessing modules for intensity normalization, elimination of fingerprint lines, non linear contrast enhancement using spatial information, and shading and non uniform illumination correction. The vein pattern extraction was performed using ten novel methods that use structural classification methods, spatial derivatives information and fuzzy set theory. The effectiveness of the proposed methods and algorithms was evaluated both on real and artificial images distorted by different types of noise and different signal to noise ratios. The majority of the methods present satisfactory accuracy on the detection of vein network, something happens due to the successful collaboration between the preprocessing methods and the vein pattern extraction methods. In addition, the problem of improving the vein network extraction accuracy was successfully handled using advanced postprocessing methods based on binary mathematical morphology. Finally, in this thesis two novel methods for retinal vessel segmentation were proposed and evaluated. They also compared with the most important methods have already been presented in the literature and one of them achieved the best experimental results from all the unsupervised methods evaluated in the publicly available DRIVE database.

L’émergence des technologies de l’information et de la communication (TIC) au début des années 1990, notamment internet, a permis de produire facilement des données et de les diffuser au reste du monde. L’essor des bases de données, le développement des outils applicatifs et la réduction des coûts de stockage ont conduit à l’augmentation quasi exponentielle des quantités de données au sein de l’entreprise. Plus les données sont volumineuses, plus la quantité d’interrelations entre données augmente. Le grand nombre de corrélations (visibles ou cachées) entre données rend les données plus entrelacées et complexes. Les données sont aussi plus hétérogènes, car elles peuvent venir de plusieurs sources et exister dans de nombreux formats (texte, image, audio, vidéo, etc.) ou à différents degrés de structuration (structurées, semi-structurées, non-structurées). Les systèmes d’information des entreprises actuelles contiennent des données qui sont plus massives, complexes et hétérogènes. L’augmentation de la complexité, la globalisation et le travail collaboratif font qu’un projet industriel (conception de produit) demande la participation et la collaboration d’acteurs qui viennent de plusieurs domaines et de lieux de travail. Afin d’assurer la qualité des données, d’éviter les redondances et les dysfonctionnements des flux de données, tous les acteurs doivent travailler sur un référentiel commun partagé. Dans cet environnement de multi-utilisation de données, chaque utilisateur introduit son propre point de vue quand il ajoute de nouvelles données et informations techniques. Les données peuvent soit avoir des dénominations différentes, soit ne pas avoir des provenances vérifiables. Par conséquent, ces données sont difficilement interprétées et accessibles aux autres acteurs. Elles restent inexploitées ou non exploitées au maximum afin de pouvoir les partager et/ou les réutiliser. L’accès aux données (ou la recherche de données), par définition est le processus d’extraction des informations à partir d’une base de données en utilisant des requêtes, pour répondre à une question spécifique. L’extraction des informations est une fonction indispensable pour tout système d’information. Cependant, cette dernière n’est jamais facile car elle représente toujours un goulot majeur d’étranglement pour toutes les organisations (Soylu et al. 2013). Dans l’environnement de données complexes, hétérogènes et de multi-utilisation de données, fournir à tous les utilisateurs un accès facile et simple aux données devient plus difficile pour deux raisons : - Le manque de compétences techniques. Pour formuler informatiquement une requête complexe (les requêtes conjonctives), l’utilisateur doit connaitre la structuration de données, c’est-à-dire la façon dont les données sont organisées et stockées dans la base de données. Quand les données sont volumineuses et complexes, ce n’est pas facile d’avoir une compréhension approfondie sur toutes les dépendances et interrelations entre données, même pour les techniciens du système d’information. De plus, cette compréhension n’est pas forcément liée au savoir et savoir-faire du domaine et il est donc, très rare que les utilisateurs finaux possèdent les compétences suffisantes. - Différents points de vue des utilisateurs. Dans l’environnement de multi-utilisation de données, chaque utilisateur introduit son propre point de vue quand il ajoute des nouvelles données et informations techniques. Les données peuvent être nommées de manières très différentes et les provenances de données ne sont pas suffisamment fournies. / The emergence of Information and Comunication Technologies (ICT) in the early 1990s, especially the Internet, made it easy to produce data and disseminate it to the rest of the world. The strength of new Database Management System (DBMS) and the reduction of storage costs have led to an exponential increase of volume data within entreprise information system. The large number of correlations (visible or hidden) between data makes them more intertwined and complex. The data are also heterogeneous, as they can come from many sources and exist in many formats (text, image, audio, video, etc.) or at different levels of structuring (structured, semi-structured, unstructured). All companies now have to face with data sources that are more and more massive, complex and heterogeneous.technical information. The data may either have different denominations or may not have verifiable provenances. Consequently, these data are difficult to interpret and accessible by other actors. They remain unexploited or not maximally exploited for the purpose of sharing and reuse. Data access (or data querying), by definition, is the process of extracting information from a database using queries to answer a specific question. Extracting information is an indispensable function for any information system. However, the latter is never easy but it always represents a major bottleneck for all organizations (Soylu et al. 2013). In the environment of multiuse of complex and heterogeneous, providing all users with easy and simple access to data becomes more difficult for two reasons : - Lack of technical skills : In order to correctly formulate a query a user must know the structure of data, ie how the data is organized and stored in the database. When data is large and complex, it is not easy to have a thorough understanding of all the dependencies and interrelationships between data, even for information system technicians. Moreover, this understanding is not necessarily linked to the domain competences and it is therefore very rare that end users have sufficient theses such skills. - Different user perspectives : In the multi-use environment, each user introduces their own point of view when adding new data and technical information. Data can be namedin very different ways and data provenances are not sufficiently recorded. Consequently, they become difficultly interpretable and accessible by other actors since they do not have sufficient understanding of data semantics. The thesis work presented in this manuscript aims to improve the multi-use of complex and heterogeneous data by expert usiness actors by providing them with a semantic and visual access to the data. We find that, although the initial design of the databases has taken into account the logic of the domain (using the entity-association model for example), it is common practice to modify this design in order to adapt specific techniques needs. As a result, the final design is often a form that diverges from the original conceptual structure and there is a clear distinction between the technical knowledge needed to extract data and the knowledge that the expert actors have to interpret, process and produce data (Soylu et al. 2013). Based on bibliographical studies about data management tools, knowledge representation, visualization techniques and Semantic Web technologies (Berners-Lee et al. 2001), etc., in order to provide an easy data access to different expert actors, we propose to use a comprehensive and declarative representation of the data that is semantic, conceptual and integrates domain knowledge closeed to expert actors.

Cette thèse traite du couplage d'un tomographe optique par luminescence (LCT) et d'un tomographe par rayons X (XCT), en présence d'une contrainte sur la géométrie d'acquisition du XCT. La couverture angulaire du XCT est limitée à 90 degrés pour satisfaire des contraintes spatiales imposées par le LCT existant dans lequel le XCT doit être intégré. L'objectif est de dériver une information anatomique, à partir de l'image morphologique issue du XCT. Notre approche a consisté i) en l'implémentation d'un algorithme itératif régularisé pour la reconstruction tomographique à angle limité, ii) en la construction d'un atlas anatomique statistique de la souris et iii) en l'implémentation d'une chaîne automatique réalisant la segmentation des images XCT, l'attribution d'une signification anatomique aux éléments segmentés, le recalage de l'atlas statistique sur ces éléments et ainsi l'estimation des contours de certains tissus à faible contraste non identifiables en pratique dans une image XCT standard. / This thesis addresses the combination of an Optical Luminescence Tomograph (OLT) and X-ray Computerized Tomograph (XCT), dealing with geometrical constraints defined by the existing OLT system in which the XCT must be integrated. The result is an acquisition geometry of XCT with a 90 degrees angular range only. The aim is to derive an anatomical information from the morphological image obtained with the XCT. Our approach consisted i) in the implementation of a regularized iterative algorithm for the tomographic reconstruction with limited angle data, ii) in the construction of a statistical anatomical atlas of the mouse and iii) in the implementation of an automatic segmentation workflow performing the segmentation of XCT images, the labelling of the segmented elements, the registration of the statistical atlas on these elements and consequently the estimation of the outlines of low contrast tissues that can not be identified in practice in a standard XCT image.

Cette thèse a pour objectif l’étude d’un lien effectif potentiel entre la motilité cellulaire, la mécanique cellulaire, et l’activité biochimique de ces mêmes cellules. Ce couplage a été étudié dans divers systèmes biologiques, et aussi bien dans des cultures de cellules qu’à l’intérieur de tissus plus complexes. Notamment, nous avons particulièrement cherché à détecter un couplage électromécanique dans des neurones qui pourrait être impliqué dans la propagation du message nerveux.Pour ce faire, nous avons dû développer deux microscopes optiques à la sensibilité extrême. Ces microscopes se composent de deux parties principales. La première sert à détecter des mouvements axiaux plus petits que la longueur d’onde optique, soit en dessous de 100 nanomètres. La deuxième partie permet la détection d’un signal de fluorescence, offrant la possibilité de suivre l’évolution biochimique de la cellule. Avec ces deux microscopes multimodaux, il est donc possible de suivre de manière simultanée un contraste de motilité, un contraste mécanique, un contraste structurel et un contraste biochimique. Si l’un de ces systèmes est basé sur la tomographie de cohérence optique plein champ et permet de faire de telles mesures en 3-D et en profondeur dans les tissus biologiques, le second ne permet que des mesures dans des cultures de cellules, mais est bien plus robuste au bruit mécanique. Dans ce manuscrit, nous allons essentiellement décrire le développement de ces deux appareils, et préciser les contrastes auxquels ils sont sensibles spécifiquement.Nous développerons également deux des applications principales de ces microscopes que nous avons étudié dans le détail au cours de cette thèse. La première application développe l’intérêt d’un de nos microscopes pour la détection sans marquage des principaux composants cellulaires et structuraux de la cornée et de la rétine. La seconde application tend à détecter et à suivre des ondes électromécaniques dans des neurones de mammifères / This PhD project aims to explore the relationship that might exist between the dynamic motility and mechanical behavior of different biological systems and their biochemical activity. In particular,we were interested in detecting the electromechanical coupling that may happen in active neurons, and may assist in the propagation of the action potential. With this goal in mind, we have developed two highly sensitive optical microscopes that combine one modality that detects sub-wavelength axial displacements using optical phase imaging and another modality that uses a fluorescence path. Therefore, these multimodal microscopes can combine a motility, a mechanical,a structural and a biochemical contrast at the same time. One of this system is based ona multimodal combination of full-field optical coherence tomography (FF-OCT) and allows the observation of such contrast inside thick and scattering biological tissues. The other setup provides a higher displacement sensitivity, but is limited to measurements in cell cultures. In this manuscript, we mainly discuss the development of both systems and describe the various contrastst hey can reveal. Finally, we have largely used our systems to investigate diverse functions of the eye and to look for electromechanical waves in cell cultures. The thorough description of both biological applications is also provided in the manuscript

As dental caries is one of the most common diseases, the early and noninvasive detection of carious lesions plays an important role in public health care. Optical coherence tomography (OCT) with its ability of depth-resolved, high-resolution, noninvasive, fast imaging has been previously recognized as a promising tool in dentistry. Additionally, polarization sensitive imaging provides quantitative measures on the birefringent tissue properties and can be utilized for imaging dental tissue, especially enamel and dentin. By imaging three exemplary tooth samples ex vivo with proximal white spot, brown spot, and cavity, we show that the combination of polarization sensitive OCT and the degree of polarization uniformity (DOPU) algorithm is a promising approach for the detection of proximal carious lesions due to the depolarization contrast of demineralized tissue. Furthermore, we investigate different sizes of the DOPU evaluation kernel on the resulting contrast and conclude a suitable value for this application. We propose that DOPU provides an easy to interpret image representation and appropriate contrast for possible future screening applications in early caries diagnostics.

Selon l’organisation mondiale de la santé, dans les pays en développement, la proportion de personnes obèses a presque triplé depuis 1980 et presque doublé dans les pays à revenu élevé. Parmi ces statistiques, en France, 16,8% des hommes et 17,4% des femmes sont obèses. Les taux mondiaux d'obésité devraient monter au cours de la prochaine décennie pour atteindre un cinquième des adultes en 2025. L'obésité est due à de multiples facteurs, dont la consommation excessive d’aliments riches en gras et en sucres, ainsi que des facteurs génétiques, psychosociaux et environnementaux. L'incidence de maladies telles que le cancer, le diabète et les maladies cardiovasculaires est supérieure chez les personnes obèses. L’obésité a également un impact néfaste sur le fonctionnement du cerveau, ce qui entraîne davantage d’accidents vasculaires cérébraux et des maladies neurodégénératives chez les personnes obèses. Une activité cérébrale normale impose des besoins énergétiques dynamiques qui sont satisfaits par le flux sanguin cérébral (Cerebral Blood Flow, CBF). La perfusion adéquate des tissus cérébraux au bon moment et au bon endroit parmi les quelques 160 milliards de cellules qui composent le cerveau adulte humain est vital. Malgré des données obtenues sur des tranches de cerveau concernant les problèmes de barrière hémato-encéphalique chez les personnes obèses, le devenir du CBF au cours de l'obésité n'a pas encore été étudié. Une des raisons à cela est la difficulté à enregistrer le CBF in vivo et de le suivre dans le temps, pendant une activation cérébrale et sur une large échelle avec une résolution spatio-temporelle appropriée. Afin d'évaluer l'influence de l'obésité sur le CBF, au repos et pendant la stimulation sensorielle, nous avons développé une technique optique appelée l'imagerie de contraste laser par exposition multiple (MESI). La technique repose sur le calcul du contraste de speckle, qui est lié à la vitesse des diffuseurs (globules rouges). Il permet une imagerie superficielle à large champ des variations relatives de flux sanguin dans le cortex de la souris. Nous avons caractérisé les performances du système en utilisant des fantômes microfluidiques. L’acquisition du contraste pour différentes durées d’exposition permet de discriminer les diffuseurs statiques et dynamiques (en mouvement) et donc d’obtenir une image quantitative des variations du CBF. Nous avons étudié l'activation cérébrale en utilisant la stimulation olfactive par des flux d'odeurs contrôlés présentés à la souris anesthésiée. Le bulbe olfactif est une structure sensorielle essentielle des mammifères pour le codage des odeurs et il est bien adapté à l'imagerie optique car l’activité neuronale et vasculaire est détectée dans les régions superficielles de cette structure. Nous avons observé une diminution significative du CBF évoqué par stimulation odorante chez les souris obèses (sous régime hyperlipidique) par rapport aux souris témoins (sous régime standard). Chez les souris contrôles, les variations de CBF sont élevées dans les vaisseaux sanguins de grand diamètre et diminuent dans les vaisseaux sanguins de petit calibre. Cette variation dépendant du diamètre est perdue chez les souris obèses qui présentent même un CBF significativement réduit au repos, au cours d'une activité vasculaire spontanée. De plus, afin de mieux comprendre la morphologie du système vasculaire, nous avons commencé l’étude par iDISCO de la densité et la distribution des vaisseaux dans l’ensemble du cerveau in vitro chez des souris obèses comparées aux contrôles. En conclusion, les résultats obtenus sur le CBF chez les souris obèses par la mise au point d’une technique d’imagerie optique à large champ MESI, indiquent que l'obésité impacte le fonctionnement vasculaire en dérégulant le débit sanguin cérébral. / Obesity is a global health threat. Since 1980 the proportion of obese or overweight individuals tripled in developing countries and doubled in high-income countries. In France 16.8% of men and 17.4% of women are obese. In the actual tendency persists, one-fifth of adults worldwide will be obese by 2025. Obesity is characterized by exaggerated weight gain and accumulation of fat tissue and is due to multiple factors including excessive consumption of high fat-sweet food and genetic, psychosocial and environmental factors. It is linked to an increase in the incidence of diseases such as cancer, diabetes and cardiovascular disease. Obesity has also a detrimental impact on brain function leading to higher rate of stroke and neurodegenerative diseases. Normal brain activity imposes dynamic energy requirements. Energy needs are fulfilled by Cerebral Blood Flow (CBF) to perfuse the brain tissue at the right time and the right place among the hundred of billons of cells that compose the human adult brain. Although dysfunction of the blood brain barrier was observed in brain slices, the fate of CBF during obesity in vivo is unknown. One reason for this is the difficulty to record CBF over time in vivo and to follow the time course of activation of large populations of cells with an appropriate spatiotemporal resolution. In order to evaluate the influence of obesity on CBF, at rest and during sensory stimulation, we have developed an optical technique termed multi-exposure speckle contrast imaging (MESI). In the last years, MESI has been validated for imaging relative changes in CBF at the surface of the rodent brain in vivo, the standard mammalian model for brain studies. The technique relies on the calculation of the spatial speckle contrast, which is related to the velocity of scatterers (red blood cells), and allows wide-field imaging of CBF at the mesoscopic level. We have characterized the performances of the system using microfluidic phantoms. We further demonstrated the ability of our MESI system to discriminate the moving and static diffusers contribution and therefore to provide accurate estimate of CBF changes in vivo. The olfactory bulb is a major hub for the processing of olfactory information in the brain of all mammals. It is well suited for optical imaging of brain activation since neuronal and vascular activities are detected very superficial at the surface of this structure. Using MESI, we have studied brain activation in control and obese mice. We have performed olfactory activation by delivering controlled odorants fluxes to anesthetized mice. We observed a significant decrease in odor-evoked CBF with a loss of diameter-dependent regulation of CBF in obese mice (high fat diet) compared to control lean mice (standard diet). We showed that CBF regulation was lost in obese mice even at rest without any stimulation. Furthermore, to gain insights into the morphology of the vascular network, we started the study of the vessels density and distribution in the entire brain using an in vitro iDISCO approach in obese mice compared to control mice. Overall, these findings indicate that obesity can adversely affect CBF at rest and in response to neuronal activation in vivo.

<p>Herein, the development, optimization, and evaluation of quantitative techniques are presented for dynamic PET studies in cancer imaging applications. Dynamic PET image analysis techniques are first applied to 18F-fluoroethyltyrosine (FET) PET imaging of glioma and brain metastasis patients. In a second application, dynamic PET image analysis techniques are applied to 68Ga-PSMA-11 PET imaging for primary prostate cancer patients. Overall, the application of dynamic PET imaging techniques supports improved clinical outcomes and enhanced clinician confidence for treatment modifications. </p>

<p>Tactile speech communication allows individuals to understand speech by sensations transmitted through the sense of touch. Devices that enable tactile speech communication can be an effective means to transmit important messages when the visual and/or auditory systems are overloaded or impaired. This has applications in silent communication and for people with hearing and/or visual impairments. An effective artificial speech communication system must be learned in a reasonable time and be easily remembered. Moreover, it must transmit any word at suitable rates for speech communication. The pursuit of a system that fulfills these requirements is a complex task that requires work in different areas. This thesis presents advancements in four of them. First is the matter of encoding speech information. Here, a phonemic-based approach allowed participants to recognize of tactile phonemes, words, phrases and full sentences. Second is the issue of training users in the use of the system. To this end, this thesis investigated the phenomenon of incidental categorization of vibrotactile stimuli as the foundation of more natural methods to learn a tactile speech communication system. Third is the matter of the neural processing of the tactile speech information. Here, an exploration of the functional characteristics of the phonemic-based approach using EEG was conducted. Finally, there is the matter of implementing the system for consumer use. In this area, this work addresses practical considerations of delivering rich haptic effects with current wearable technologies. These are informative for the design of actuators used in tactile speech communication devices.</p>

<p>Cardiovascular disease (CVD) is the leading cause of death worldwide and is expected to increase direct medical costs in the U.S. to $749 billion by the year 2035. Diagnosis of CVD through imaging techniques can improve our understanding of CVD progression and its associated risks through visualization of anatomical features and biological constituents. Non-invasive imaging relies on optimal image quality for visualization of such tissue structures that can be difficult to identify and segment. While various imaging modalities are used to determine tissue characteristics, many lack the spatial resolution that optics-based imaging can provide, which can assess hemodynamic parameters in preclinical models of ischemic disease. Acoustic-based imaging can complement optics-based imaging by providing anatomical and location-specific information of tissues with greater penetration depth. Even with all the advancements in imaging technology, however, limitations still exist in non-invasively, efficiently, and accurately capturing biologically relevant information with adequate spatial and temporal resolution. Furthermore, reproducible feature extraction is difficult due to a lack of standardization in the field, making it difficult to implement when image quality varies. In this work, we implement spatial frequency domain imaging (SFDI), ultrasound, and photoacoustic imaging in preclinical models of 1) peripheral artery disease, 2) traumatic brain injury, and 3) myocardial ischemia to capture imaging biomarkers of vascular and cardiac health in longitudinal studies. We also implement deep learning on preclinical ultrasound and photoacoustic images of the cardiac left ventricle to automatically extract regions of interest to calculate radial strain and oxygen saturation. Eventually findings from this work may help improve clinical cardiovascular disease diagnosis, prognosis, and treatment.</p>

<p dir="ltr">The brain is a dynamic tissue that is passively driven by a combination of the cardiac cycle, respiration, and slow wave oscillations. The function of the brain relies on its ability to maintain a normal homeostatic balance between its mechanical environment and metabolic demands, which can be greatly altered in the cases of neurodegeneration or traumatic brain injury. It has been a challenge in the field to quantify the dynamics of the tissue and cerebrospinal fluid flow in human subjects on a patient-specific basis over the many spatial and temporal scales that it relies upon. Non-invasive imaging tools like structural, functional, and dynamic MRI sequences provide modern researchers with an unprecedented view into the human brain. Our work leverages these sequences by developing novel, open-source pipelines to 1) quantify the biomechanical environment of the brain tissue over 133 functional brain regions, and 2) estimate real-time cerebrospinal fluid velocity from flow artifacts on functional MRI by employing breathing regimens to enhance fluid motion. These pipelines provide a comprehensive view of the macroscale tissue and fluid motion in a given patient. Additionally, we sought to understand how the transmission of macroscale forces, in the context of traumatic brain injury, contribute to neuronal damage by 3) developing a digital twin to simulate 30-200 g-force loading of 2D neuronal cultures and observing the morphological and electrophysiological consequences of these impacts in vitro by our collaborators. Taken together, we believe these works are a steppingstone that will enable future researchers to deeply understand the mechanical contributions that underly clinical neurological outcomes and perhaps lead to the development of earlier diagnostics, which is of dire need in the case of neurodegenerative diseases.</p>