No description available.

An implantable closed-loop insulin delivery device (INsmart device) containing a glucose responsive gel has been developed within the INsmart research group, over a period of 10 years, to mimic pancreas. In this thesis, the reliability and performance capability of the INsmart device was studied for future clinical use. Investigations into the device material compatibility with insulin solution, assessed by monitoring insulin loss and degradant formation over a period of 31 days using RP-HPLC have shown that stainless steel and titanium are the most compatible materials. Polycarbonate contributes to insulin loss after 11 days, resin might not be the best material and polyurethane is the least compatible for future device designs. To study insulin delivery mechanism and kinetics from the device, fluorescently labelled human insulin (FITC-insulin) was synthesised and characterised using RP-HPLC and MS, to produce a product with predominantly di-labelled conjugate (>75%) with no unreacted FITC or native insulin. Clinically used insulin analogues were also fluorescently labelled to produce predominantly di-labelled FITC-insulin conjugate with potential future biological and in vitro applications. The drug release mechanism from the glucose sensitive gel held in the INsmart device, studied using fluorescein sodium was determined as a Fickian diffusion controlled release mechanism. The diffusion coefficient (D) for FITC-insulin in the non-polymerised dex2M-conA gel (NP gel) determined using mathematical models, QSS and TL slope methods was 1.05 ± 0.02 x 10-11 m2/s and in the cross-linked dex500MA-conAMA gel (CL gel) was 0.75 ± 0.06 x 10-11 m2/s. In response to physiologically relevant glucose triggers in the NP gel, the diffusivity of FITC-insulin increases with increasing glucose concentrations, showing a second order polynomial fit, device thus showing glucose sensitivity and graded response, mimicking pancreas. Rheological measurements further confirmed the gel glucose responsiveness demonstrated by a third order polynomial fit between FITC-insulin D and the NP complex viscosity in response to increasing glucose concentration. The knowledge of FITC-insulin diffusion kinetics in the gel has aided in making some theoretical predictions for the capability and performance of the INsmart device. Alternate device geometry and design optimisation is also explored.

Dans le développement récent des sciences de réseau, réseaux contraints spatiales sont devenues un objet d'une enquête approfondie. Spatiales des réseaux de contraintes sont intégrées dans l'espace de configuration. Leurs structures et les dynamiques sont influencées par la distance spatiale. Ceci est prouvé par les données empiriques de plus en plus sur des systèmes réels montrant des lois exponentielles ou de distribution d'énergie distance spatiale de liens. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la structure de réseau spatial avec une distribution en loi de puissance spatiale. Plusieurs mécanismes de formation de la structure et de la dynamique de diffusion sur ces réseaux sont pris en considération. D'abord, nous proposons un réseau évolutif construit en l'espace de configuration d'un mécanisme de concurrence entre le degré et les préférences de distance spatiale. Ce mécanisme est décrit par un a^'fc- + (1 — a)^'lL_,1, où ki est le degré du noeud i et rni est la distance spatiale entre les noeuds n et i. En réglant le paramètre a, le réseau peut être fait pour changer en continu à partir du réseau spatiale entraînée (a = 0) pour le réseau sans échelle (a = 1). La structure topologique de notre modèle est comparé aux données empiriques de réseau de courrier électronique avec un bon accord. Sur cette base, nous nous concentrons sur la dynamique de diffusion sur le réseau axé sur spatiale (a — 0). Le premier modèle, nous avons utilisé est fréquemment employée dans l'étude de la propagation de l'épidémie: ['spatiale susceptible-infecté-susceptible (SIS) modèle. Ici, le taux de propagation entre deux noeuds connectés est inversement proportionnelle à leur distance spatiale. Le résultat montre que la diffusion efficace de temps augmente avec l'augmentation de a. L'existence d'seuil épidémique générique est observée, dont la valeur dépend du paramètre a Le seuil épidémique maximum et le ratio minimum fixe de noeuds infectés localiser simultanément dans le intervalle 1.5 < a < 2.Puisque le réseau spatiale axée a bien défini la distance spatiale, ce modèle offre une occasion d'étudier la dynamique de diffusion en utilisant les techniques habituelles de la mécanique statistique. Tout d'abord, compte tenu du fait que la diffusion est anormale en général en raison de l'importante long plage de propagation, nous introduisons un coefficient de diffusion composite qui est la somme de la diffusion d'habitude constante D des lois de la Fick appliqué sur différentes distances de transfert possibles sur le réseau. Comme prévu, ce coefficient composite diminue avec l'augmentation de a. et est une bonne mesure de l'efficacité de la diffusion. Notre seconde approche pour cette diffusion anormale est de calculer le déplacement quadratique moyen (l²) à identifier une constante de diffusion D' et le degré de la anomalousness y avec l'aide de la loi de puissance (l²) = 4D'ty. D' comportements de la même manière que D, i.e.. elle diminue avec l'augmentation de a. y est inférieur à l'unité (subdiffusion) et tend à un (diffusion normale) que a augmente. / In the recent development of network sciences, spatial constrained networks have become an object of extensive investigation. Spatial constrained networks are embedded in configuration space. Their structures and dynamics are influenced by spatial distance. This is proved by more and more empirical data on real Systems showing exponential or power laws spatial distance distribution of links. In this dissertation, we focus on the structure of spatial network with power law spatial distribution. Several mechanisms of structure formation and diffusion dynamics on these networks are considered. First we propose an evolutionary network constructed in the configuration space with a competing mechanism between the degree and the spatial distance preferences. This mechanism is described by a ki + (1 — a), where ki is the degree of node i and rni is the spatial distance between nodes n and i. By adjusting parameter a, the network can be made to change continuously from the spatial driven network (a = 0) to the scale-free network (a = 1). The topological structure of our model is compared to the empirical data from email network with good agreement. On this basis, we focus on the diffusion dynamics on spatial driven network (a = 0). The first model we used is frequently employed in the study of epidemie spreading : the spatial susceptible-infected-susceptible (SIS) model. Here the spreading rate between two connected nodes is inversely proportional to their spatial distance. The result shows that the effective spreading time increases with increasing a. The existence of generic epidemic threshold is observed, whose value dépends on parameter a. The maximum épidemic threshold and the minimum stationary ratio of infected nodes simultaneously locate in the interval 1.5 < a < 2. Since the spatial driven network has well defined spatial distance, this model offers an occasion to study the diffusion dynamics by using the usual techniques of statistical mechanics. First, considering the fact that the diffusion is anomalous in general due to the important long-range spreading, we introduce a composite diffusion coefficient which is the sum of the usual diffusion constant D of the Fick's laws applied over different possible transfer distances on the network. As expected, this composite coefficient decreases with increasing a and is a good measure of the efficiency of the diffusion. Our second approach to this anomalous diffusion is to calculate the mean square displacement (l²) to identify a diffusion constant D' and the degree of thé anomalousness y with the help of the power law {l²} = 4D'ty. D' behaviors in the same way as D, i.e., it decreases with increasing a. y is smaller than unity (subdiffusion) and tends to one (normal diffusion) as a increases.

La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil puissant permettant d’acquérir des profils biochimiques du cerveau et de quantifier de nombreux paramètres cellulaires in vivo. Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à trois techniques : (i) la spectroscopie RMN du 1H pondérée en diffusion, (ii) la spectroscopie RMN du carbone-13 (13C) et (iii) de l’oxygène-17 (17O) pour étudier la microstructure et la fonction cellulaire in vivo.Les métabolites cérébraux sont des traceurs endogènes spécifiques d’un type cellulaire (neurones et astrocytes) dont la diffusion dépend des nombreuses propriétés cellulaires (par exemple la viscosité du cytosol et la restriction intracellulaire). L’étude de la dépendance du coefficient de diffusion (ADC) aux temps de diffusion (td) permet de quantifier chacun de ces paramètres. En particulier, la mesure de l’ADC aux td longs permet d’évaluer la compartimentation des métabolites. Dans une première étude, nous avons mesuré l’ADC de plusieurs métabolites neuronaux et astrocytaires sur une large gamme de td (de ~80 ms à ~1 s) dans un large voxel dans le cerveau du macaque. Aucune dépendance de l’ADC de l’ensemble des métabolites au td n’a été observée suggérant que les métabolites diffusent majoritairement dans les prolongements neuronaux (axones, dendrites) et astrocytaires et ne sont pas confinés dans le corps cellulaire ou les organelles (mitochondries, noyau). La grande taille du voxel, liée à la sensibilité de détection limitée, ne nous a pas permis d’étudier la compartimentation des métabolites dans la substance blanche (SB) et la substance grise (SG). C’est pourquoi, une nouvelle étude a été réalisée dans le cerveau de l’Homme. Les résultats montrent que les métabolites diffusent dans des structures fibrillaires dans la SG et la SB. Enfin, une dernière étude, avec une gamme de td jusqu’à 2 s chez le macaque, nous a permis d’estimer, à l’aide de modèles analytiques simples mimant la structure cellulaire, la longueur des fibres neuronales (~110 μm) et astrocytaires (~70 μm). L’oxydation du glucose au sein des mitochondries permet de produire l’ATP (adénosine triphosphate), la principale source d’énergie de l’organisme. La spectroscopie du 13C permet de mesurer la vitesse de dégradation du glucose dans le cycle de Krebs (VTCA). Cette méthode est largement reconnue pour l’étude du métabolisme. Néanmoins, de nombreuses limitations, en termes de modélisation des données en détection indirecte ou de puissance émise dans le contexte du découplage hétéronucléaire en détection directe, ont été rencontrées sur notre scanner IRM. C’est pourquoi, la spectroscopie du 17O a ensuite été développée afin de quantifier la vitesse de consommation de l’oxygène pendant la phosphorylation oxydative (CMRO2). Des développements méthodologiques et technologiques ont été nécessaires et sont encore en cours pour mettre en place et valider cette technique qui n’a encore jamais été utilisée chez le macaque. / Magnetic Resonance Spectroscopy is a unique tool that allows acquiring brain biochemical profiles and quantifying many cellular parameters in vivo. During this thesis, three different techniques have been developed: (i) 1H diffusion-weighted, (ii) carbone-13 (13C) and (iii) oxygen-17 (17O) NMR spectroscopy to study brain structure and function in vivo. Brain metabolites are cell-specific endogeneous tracers of the intracellular space whose translational diffusion depends on many cellular properties (e.g.: cytosol vicosity and intracellular restriction). Studying the variation of the diffusion coefficient (ADC) as a function of diffusion time (td) allows untangling and quantifying those parameters. In particular, measuring metabolites ADC at long diffusion times gives information about the metabolites compartmentation in cells. In a first study, we measured neuronal and astrocytic metabolites ADC over a large time window (from ~80 ms to ~1 s) in a large voxel in the macaque brain. No dependence of all metabolites ADC on td was observed suggesting that metabolites primarily diffuse in neuronal (dendrites and axons) and astrocytic processes and are not confined inside the cell body and organelles (nucleus, mitochondria). The large size of the voxel, due to low detection sensitivity, did not allow us to study metabolites compartmentation in pure white (WM) and grey matters (GM). Therefore, we performed a new study in the human brain. Results showed that in both WM and GM metabolites diffuse in fiber-like cell structure. Finally, using an even larger time window (up to 2 s) in the macaque brain and analytical models mimicking the cell structure, we estimated the length of neuronal (~110 μm) and astrocytic (~70 μm) processes. ATP (adenosine triphosphate), the main source of energy in the organism, is produced thanks to glucose oxidation inside the mitochondria. 13C NMR spectroscopy is a well-known technique to study brain energy metabolism and can be used to estimate the rate of glucose degradation within the Krebs cycle (VTCA). However, many limitations, concerning data modeling when performing indirect detection or power deposition due to heteronuclear decoupling during direct detection, were encountered on our MRI scanner. Therefore, 17O NMR spectroscopy was developed to quantify the rate of oxygen consumption during oxidative phosphorylation (CMRO2). Methodological and technological developments were necessary and are still ongoing to validate this technique, which has never been used with macaque.

Breast cancer is a major global health problem and the most common form of cancer among women. Major advances in the technologies of imaging provide improved detection and sensitivity with fewer unnecessary biopsies. Commonly used imaging modalities include mammography, ultrasonography, magnetic resonance imaging (MRI), scintimammography, single photon emission computed tomography (SPECT) and positron emission tomography (PET). The current study is focused on breast MRI imaging, especially one of the most promising recent techniques, i.e. the Diffusion Weighted Imaging breast MRI (DWI). DWI is an unenhanced MRI technique, based on volume sequences on various b values (the b value identifies the measurement's sensitivity to diffusion and determines the strength and duration of the diffusion gradients) measuring the mobility of water molecules (Brownian motion) in vivo (in tissues) and provides different and potentially complementary information to Dynamic Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Imaging (DCE-MRI) technique. As DWI based on the diffusive properties of water molecules, reflects their random motion resulting from thermal agitation. Water diffusion on breast can be quantified by measuring the mean diffusivity, which is the average of Apparent Diffusion Coefficient (ADC). The ADC can be calculated by making measurements at a low b factor, b1, and a higher b factor, b2. DWI allows the mapping of the diffusion process of molecules by the ADC map. ADC maps are calculated by collecting images with at least 2 different values, b1 and b2, of the b factor. The ADC map is a parametric image whose color scale or gray scale represents the ADC values of the voxels and is usually generated by proprietary or in house software. DWI apart from the 3D anatomical information, provides a noninvasive investigation of tissue vascularity, a novel contrast mechanism in MRI and has a high sensitivity in the detection of changes in the local biologic environment due to a pathologic process. Therefore, in addition to contrast enhancement-based characterization (DCE-MRI), measurement of the motion of water molecules in DWI provides an additional feature for lesion characterization that may further increase the specificity of MRI for classifying breast lesions. The diagnostic task that the current study deals with, accounts for the diagnosis of mass-like lesions in Diffusion Weighed Magnetic Resonance Imaging, based on low ADC values compared to high once in case of benign versus normal tissue. The hypothesis is that diffusivity of water molecules is restricted in environments of high cellularity, intracellular and extracellular edema, high viscosity, and fibrosis, such as malignant tumors, because these conditions become barriers to the movement of water molecules. Therefore, most of breast cancers show low ADC values compared with benign and normal tissue. Many studies have revealed the usefulness of ADC values in the differential diagnosis of breast lesions; however, the clinical effect remains limited because of the substantial overlap between benign and malignant lesions, which presents challenges for implementing a useful diagnostic ADC threshold. The majority of studies, similar to the current study, determined optimal cutoff levels of the ADC value between malignant and benign lesions by using ROC analysis, and ranged from 0.90 to 1.76 × 10-3 mm2/s while the sensitivity and specificity ranged from 63% to 100% and 46% to 97%, respectively. In addition, the methods for measuring ADC differ among reported studies, with the most representative method being the mean value of ADC (mean ± standard deviation) over a Region Of Interest representative of the breast lesion. The purpose of this study was to investigate the ability of histogram characteristics of Apparent Diffusion Coefficient (Apparent Diffusion Coefficient-ADC) to differentiate malignant from benign breast lesions in breast DWI. To this end the ADC maps of representative lesion ROIs were subjected to first order statistics analysis by calculating five first order textural features: Mean value, Standard Deviation, Kurtosis, Skewness and Entropy. This approach is intended to offer a more complete assessment of tumor texture and heterogeneity. The dataset analyzed is comprised of 92 histologically verified breast lesions, originating from 69 women with mammographically and/or ultrasonographically detected or palpable findings. Histology revealed 53 malignant lesions originating from 45 women and 39 benign lesions originating from 26 women. All of the breast MR examinations were performed with a 3T MR scanner, for b= 0, 900 s/mm2. Diagnostic performances of these parameters were compared by receiver operating characteristic (ROC) curve analysis. The mean of ADC of benign lesions [(1.470 ± 0.342) × 10-3 mm2/s] was found to be significantly higher than that of malignant tumours, [(0.965 ± 0.268) × 10-3 mm2/s, (p<0.00001)]. The standard deviation of ADC of benign lesions [(0.184 ± 0.999) × 10-3 mm2/s] was not significantly different from that of malignant tumours, [(0.192 ± 0.151) × 10-3 mm2/s, (p=0.6581)]. The skewness of ADC of benign [-0.303 ± 0.584] was significantly different than that of malignant tumours, 0.210 ± 0.725. (p = 0.0008)]. The kurtosis of ADC of benign [3.003 ± 1.065] was not significantly different from that of malignant tumours, [3.337 ± 1.334. (p=0.0987)]. The entropy of ADC of benign [4.794 ± 0.665] was significantly lower than that of malignant tumours, [5.569 ± 0.649, (p<0.00001)] The corresponding area under the empirical receiver operating characteristic curve was: 0.862 ± 0.042 (95% confidence interval: 0.754, 0.925) for mean of ADC, 0.705 ± 0.054 (95% confidence interval: 0.589, 0.800) for skeweness of ADC, 0.800 ± 0.046 (95% confidence interval: 0.691, 0.874) for entropy of ADC, resulting a good diagnostic performance of DWI for these parameters. On the other hand, an AUC of 0.527 ± 0.063 (95% confidence interval: 0.393, 0.640) and 0.601 ± 0.061 (95% confidence interval: 0.470, 0.707) for Standard deviation and kurtosis respectively, suggests a degree of overlap in ADC values between benign and malignant tumors. In an effort to identify optimal threshold values for differentiating benign versus malignant lesions these were selected to correspond to the points of highest accuracy of the ROC curves. In our study, we obtained two threshold values of mean ADC, both with an accuracy of 83.15%: 1.21 x 10-3 mm2/s with a sensitivity of 86.27% and specificity of 78.95%; and 1.32 x 10-3 mm2/s with a sensitivity of 92.16% and specificity of 71.05%. The threshold value of skeweness was -0.06 with an accuracy of 68.54%, a sensitivity of 66.03% and specificity of 66.67%. Finally, we found two threshold values of entropy, both with an accuracy of 76.40%: 5.17 with a sensitivity of 75.47% and specificity of 71.80%; and 5.21 with a sensitivity of 73.59% and specificity of 74.36%. In conclusion, results of the current study suggest the contribution of texture analysis methods in Diffusion-weighted MRI breast imaging for the quantification of tissue heterogeneity, providing important information for breast cancer diagnosis. Histogram analysis of ADC values in breast cancer has potential for differentiating benign and malignant tumors, providing information about the entire tumor. The mean, skewness and entropy of ADC are valuable parameters that are correlated with pathologic characterization of breast tumors. These 3 ADC parameters significantly elevated the quantitative diagnostic performance of breast DWI and would be effective parameters in distinguishing between malignant and benign breast lesions. Finally, future efforts will also focus on investigating the correlation of extracted texture features with histopathological findings, in order to verify the potential of the proposed texture analysis of ADC map in providing non-invasive prognostic factors of breast cancer. / Ο καρκίνος του μαστού είναι ένα σημαντικό παγκόσμιο πρόβλημα υγείας και η πιο διαδεδομένη μορφή καρκίνου στον γυναικείο πληθυσμό. Η ολοένα και πιο έγκαιρη διάγνωση του καρκίνου του μαστού έχει οδηγήσει σε σημαντική βελτίωση του ρυθμό θεραπείας της νόσου. Σημαντικές πρόοδοι στην τεχνολογία της απεικόνισης παρέχουν τη βελτιωμένη ανίχνευση και ευαισθησία του καρκίνου και οδηγούν σε όλο ένα και λιγότερες περιττές βιοψίες. Οι πιο συνηθισμένες μέθοδοι απεικόνισης, που χρησιμοποιούνται, περιλαμβάνουν την Μαστογραφία, την Υπερηχογραφία, την Μαγνητική Τομογραφία (MRI), την σπινθηρομαστογραφία, την Τομογραφία Εκπομπής Φωτονίων (SPECT) και την Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων (PET). Η παρούσα μελέτη επικεντρώνεται στην τεχνολογία της Απεικόνισης Μαγνητικού Συντονισμού ειδικά σε μία πρόσφατη και ελπιδοφόρα τεχνική απεικόνισης του καρκίνου του μαστού, που ονομάζεται Απεικόνιση Σταθμισμένης Διάχυσης στη Τομογραφία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (Diffusion Weighted Imaging breast MRI (DWI)). Η DWI είναι μια MRI ακολουθία χωρίς χρήση σκιαγραφικής ουσίας, η οποία βασίζεται σε αλληλουχίες για διάφορες τιμές του παράγοντα διάχυσης b (η τιμή b προσδιορίζει την διαχυτότητα και καθορίζει την ένταση και τη διάρκεια των βαθμωτών πεδίων διάχυσης). Η DWI ποσοστικοποιεί την κινητικότητα των μορίων του νερού (Brownian κίνηση) in vivo (σε ιστούς) και παρέχει διαφορετικές και ενδεχομένως συμπληρωματικές πληροφορίες στην μαστογραφία μαγνητικής τομογραφίας με χρήση σκιαγραφικού (Dynamic Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Imaging: DCE-MRI). Η DWI με βάση τις ιδιότητες διάχυσης των μορίων του νερού, αντανακλά την τυχαία κίνησής τους λόγω της θερμικής τους ενέργειας. Η διάχυση του νερού στον μαστό μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με τη μέτρηση της μέσης διαχυτότητας, η οποία αναφέρεται ως Φαινόμενος Συντελεστής Διάχυσης (Apparent Diffusion Coefficient-ΑDC). Ο ADC υπολογίζεται ύστερα από μετρήσεις για δυο b τιμές, μια χαμηλή b1 και μια υψηλότερη b2 τιμή. Η DWI επιτρέπει την χαρτογράφηση της διάχυσης των μορίων του νερού μέσω του ADC χάρτη. Ο ADC χάρτης είναι μια παραμετρική εικόνα της οποίας η κλίμακα χρωμάτων ή κλίμακα των τόνων του γκρι, αντιπροσωπεύει τις ADC τιμές των voxels και συνήθως παράγεται από λογισμικό. Οι παραμετρικοί ADC χάρτες απεικόνισης DWI αναπαριστούν τη μικροδομή των ιστών για διάφορους συνδυασμούς τιμών της παραμέτρου b. Η DWI εκτός από 3D ανατομική πληροφορία, παρέχει μια μη επεμβατική διερεύνηση της αγγειοβρίθειας του ιστού, έναν νέο μηχανισμό αντίθεσης στην MRI, και χαρακτηρίζεται από υψηλή ευαισθησία στην ανίχνευση ενδεχόμενων αλλαγών στο τοπικό βιολογικό περιβάλλον, οι οποίες οφείλονται σε παθολογία. Ως εκ τούτου, εκτός από τον χαρακτηρισμό αλλοιώσεων βάση σκιαγραφικής ενίσχυσης (DCE - MRI), η ποσοτικοποίηση της κίνησης των μορίων του νερού στην DWI παρέχει επιπλέον στοιχεία για τον χαρακτηρισμό της αλλοίωσης, κάτι το οποίο μπορεί να αυξήσει περαιτέρω την ειδικότητα της MRI για την ταξινόμηση των αλλοιώσεων του μαστού. Το διαγνωστικό πρόβλημα το οποίο αντιμετώπισε/εστίασε η παρούσα διπλωματική εργασία, αφορά στο χαρακτηρισμό/διάγνωση χωροκατακτητικών αλλοιώσεων (mass-like) του μαστού στην Απεικονιση Μαγνητικου Συντονισμου Σταθμισμενης Διαχυσης (DWI) και την ποσοτικη αναλυση του Φαινομενου Συντελεστη Διαχυσης (ADC) για διαγνωση καρκινου του μαστου. Η ικανότητα διάχυσης των μορίων του νερού περιορίζεται σε περιβάλλον υψηλής κυτταροβρίθιας, ενδοκυττάριων και εξωκυττάριων οιδημάτων, υψηλού ιξώδους και ίνωσης, όπως συμβαίνει στους κακοήθεις όγκους, διότι οι παράγοντες αυτοί εμποδίζουν την κυκλοφορία των μορίων του νερού. Αποτέλεσμα αυτού είναι οι περισσότεροι καρκίνοι του μαστού να παρουσιάζουν χαμηλές ADC τιμές σε σύγκριση με τους καλοήθεις όγκους ή τον φυσιολογικό ιστό. Πολλές μελέτες έχουν δείξει τη χρησιμότητα των ADC τιμών στη διαφορική διάγνωση των αλλοιώσεων του μαστού. Εν τούτοις, το κλινικό αποτέλεσμα παραμένει περιορισμένο λόγω της σημαντικής επικάλυψης καλοήθων και κακοήθων αλλοιώσεων, γεγονός που αποτελεί πρόκληση για την εφαρμογή ενός χρήσιμου διαγνωστικού ορίου της μέσης ADC. Στη πλειοψηφία των μελετών, όπως και στη παρούσα μελέτη, τα βέλτιστα επίπεδα αποκοπής της ADC μεταξύ κακοήθων και καλοήθων αλλοιώσεων προσδιορίστηκαν με τη χρήση ROC ανάλυσης. Στις μέχρι τώρα μελέτες τα διαγνωστικά όρια της μέσης ADC κυμαίνονται από 0.90 έως 1.76 × 10-3 mm2 / s, με ευαισθησία και ειδικότητα να κυμαίνονται από 63% έως 100% και 46% έως 97%, αντίστοιχα. Γεγονός αποτελεί, επίσης, η διαφορετική μέθοδος υπολογισμού της ADC που ακολουθεί η κάθε μελέτη, με πιο συχνή μέθοδο, ο υπολογισμός της μέσης τιμής της ADC (μέση τιμή ± τυπική απόκλιση) σε μια περιοχή ενδιαφέροντος (ROI) μιας αλλοίωσης του μαστού. Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας ήταν να διερευνηθεί η ικανότητα των χαρακτηριστικών ιστογράμματος του Φαινόμενου Συντελεστή Διάχυσης (Apparent Diffusion Coefficient-ADC) να διαφοροποιούν κακοήθεις από καλοήθεις αλλοιώσεις του μαστού στην Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού Σταθμισμένης Διάχυσης (Diffusion Weighted MRI-DWI). Για το σκοπό αυτό, δημιουργήθηκε ο ADC παραμετρικός χάρτης ο οποίος αποτέλεσε τη βάση για την εφαρμογή μεθόδου ανάλυσης υφής εικόνας, και τον υπολογισμό πέντε χαρακτηριστικών υφής πρώτης τάξης: την μέση τιμή, την τυπική απόκλιση, την κύρτωση, την λοξότητα και την εντροπία. Η προσέγγιση αυτή θεωρήθηκε ότι θα προσφέρει μια πιο ολοκληρωμένη αξιολόγηση της υφής του όγκου και της ετερογένειας. Η προσέγγιση εφαρμόσθηκε σε κλινικό δείγμα 92 ιστολογικά αποδεδειγμένων αλλοιώσεων του μαστού, οι οποίες προέρχονται από 69 γυναίκες οι οποίες είχαν νωρίτερα ανιχνευθεί μέσω μαστογραφίας ή/και υπερηχογραφίας ή από ψηλαφητά ευρήματα. Η ιστολογική εξέταση αποκάλυψε 53 κακοήθεις αλλοιώσεις που προέρχονταν από 45 γυναίκες και 39 καλοήθεις αλλοιώσεις από 26 γυναίκες. Όλες οι εξετάσεις μαγνητικής τομογραφίας του μαστού έγιναν με σύστημα MRI 3T και για b=0 και 900 s/mm2. Η διαγνωστική απόδοση/επίδοση των παραμέτρων αυτών συγκρίθηκε με την ανάλυση λειτουργικού χαρακτηριστικού δέκτη (ROC analysis). Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν τον σημαντικό ρόλο της ανάλυσης ADC ιστογράμματος χρησιμοποιώντας τα 5 παραπάνω χαρακτηριστικά υφής για την ταυτοποίηση των αλλοιώσεων του μαστού. Οι μετρήσεις της μέσης τιμής, της λοξότητας και της εντροπία της ADC των καλοήθων και κακοήθων αλλοιώσεων του μαστού είχαν στατιστικώς σημαντική διαφορά. Ειδικότερα, η μέση ADC τιμή των καλοήθων όγκων [(1.470 ± 0.342) × 10-3 mm2/s] ήταν σημαντικά υψηλότερη από εκείνη των κακοήθων, [(0.965 ± 0.268) × 10-3 mm2/s, (ρ < 0.00001)]. Η λοξότητα της ADC των καλοήθων όγκων [-0.303 ± 0.584], διέφερε σημαντικά από εκείνη των κακοήθων, [0.210 ± 0.725. (ρ= 0.0008)]. Και η εντροπία της ADC των καλοήθων όγκων [4.794 ± 0.665], ήταν σημαντικά χαμηλότερη από εκείνη των κακοήθων, [5.569 ± 0.649, (ρ < 0.00001)]. Ωστόσο, η τυπική απόκλιση και η κύρτωση της ADC των καλοήθων και κακοήθων αλλοιώσεων του μαστού δεν είχαν στατιστικώς σημαντική διαφορά. Συγκεκριμένα, η τυπική απόκλιση της ADC των καλοήθων όγκων ήταν [(0.184 ± 0.999) × 10-3 mm2/s] ενώ των κακοήθων ήταν [(0.192 ± 0.151) × 10-3 mm2/s, (ρ = 0.6581)] και η κύρτωση της ADC των καλοήθων όγκων ήταν [3.003 ± 1.065] ενώ των κακοήθων ήταν [3.337 ± 1.334, (ρ = 0.0987)]. Η περιοχή κάτω από την ROC καμπύλη (AUC) για τη μέση ADC τιμή ήταν 0.862 ± 0.042 (95% διάστημα εμπιστοσύνης: 0.754, 0.925), για την λοξότητα της ADC ήταν 0.705 ± 0.054 (95% διάστημα εμπιστοσύνης: 0.589, 0.800) και για η εντροπία της ADC ήταν 0.800 ± 0.046 (95% διάστημα εμπιστοσύνης: 0.691, 0.874), και είχαν ως αποτέλεσμα μια καλή διαγνωστική απόδοση/ επίδοση της DWI για τις παραμέτρους αυτές. Από την άλλη πλευρά, η AUC με 0.527 ± 0.063 (95% διάστημα εμπιστοσύνης: 0.393, 0.640) και με 0.601 ± 0.061 (95% διάστημα εμπιστοσύνης: 0.470, 0.707) για την τυπική απόκλιση και την κύρτωση, αντίστοιχα, υποδηλώνει ένα βαθμό επικάλυψης στις ADC τιμές μεταξύ καλοήθων και κακοήθων όγκων. Τα βέλτιστα κατώφλια αποκοπής για διαφοροποίηση καλοήθων έναντι κακοήθων αλλοιώσεων καθορίστηκαν με τον εντοπισμό των σημείων όπου η ακρίβεια ήταν μέγιστη στις καμπύλες ROC. Από τη συγκεκριμένη μελέτη, προέκυψαν δύο τιμές κατωφλίου αποκοπής της μέσης ADC, με την ίδια ακρίβεια 83.15%. Το πρώτο κατώφλι με τιμή 1.21 x 10-3 mm2/s χαρακτηρίζεται με ευαισθησία 86.27% και ειδικότητα 78.95%. Και το δεύτερο κατώφλι με τιμή 1.32 x 10-3 mm2/s χαρακτηρίζεται με ευαισθησία 92.16% και ειδικότητα 71.05%. Το κατώφλι για την λοξότητα της ADC ήταν στα -0.06 με ακρίβεια 68.54%, ευαισθησία 66.03% και ειδικότητα 66.67%. Τέλος, προέκυψαν δύο τιμές κατωφλίου αποκοπής της εντροπίας της ADC με την ίδια ακρίβεια ακρίβεια 76.40%. Το πρώτο κατώφλι με τιμή 5.17 χαρακτηρίζεται με ευαισθησία 75.47% και ειδικότητα 71.80%. Και το δεύτερο κατώφλι με τιμή 5.21 χαρακτηρίζεται με ευαισθησία 73.59% και ειδικότητα 74.36%. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης δείχνουν τη συνεισφορά των μεθόδων ανάλυσης υφής εικόνας στη Απεικονιση Μαγνητικου Συντονισμου Σταθμισμενης Διαχυσης (DWI) του μαστού για την ποσοτικοποίηση της ετερογένειας του ιστού, παρέχοντας σημαντικές πληροφορίες για τη διάγνωση του καρκίνου του μαστού. Η ανάλυση ιστογράμματος των ADC τιμών στον καρκίνο του μαστού έχει τη δυνατότητα διαφοροποίησης καλοήθων και κακοήθων όγκων, παρέχοντας πληροφορίες για το σύνολο του όγκου. Η μέση τιμή, η λοξότητα και η εντροπία του ADC είναι πολύτιμες παράμετροι που συσχετίζονται με παθολογικό χαρακτηρισμό των όγκων του μαστού. Αυτές οι 3 ADC παράμετροι αύξησαν σημαντικά την ποσοτική διαγνωστική απόδοση της DWI του μαστού και πιθανότατα να είναι αποτελεσματικές παράμετροι όσον αφορά τη διάκριση μεταξύ καλοήθων και κακοήθων αλλοιώσεων του μαστού Μελλοντικές προσπάθειες πρόκειται να εστιάσουν στη διερεύνηση της συσχέτισης των εξαχθέντων χαρακτηριστικών υφής με ιστοπαθολογικούς δείκτες, με σκοπό την περαιτέρω επιβεβαίωση των προτεινόμενων προσεγγίσεων και ενδεχομένως την χρήση συγκεκριμένων χαρακτηριστικών υφής ως μη επεμβατικών προγνωστικών δεικτών καρκίνου του μαστού.

Diese Arbeit stützt sich auf die theoretische und experimentelle Untersuchung der Thermodiffusion im Magnetfeld. Bei magnetischen Flüssigkeiten als kolloidalen Suspensionen versteht man unter der Thermodiffusion einen durch einen Temperaturgradienten angestoßenen unidirektionalen Partikeltransport, der zur Separation des Fluids führt. Beschrieben wird die Thermodiffusion theoretisch über das Konzentrationsprofil der Partikel in Abhängigkeit von Zeit und Ort in einer Fluidschicht. Die Experimente detektieren die Separation des Fluids über die Konzentrationsdifferenz zwischen zwei Fluidkammern. Die Bestimmung des Soret-Koeffizienten erfolgt über einen Datenfit zwischen experimentellen und theoretischen Daten. Für das kerosinbasierte Ferrofluid EMG905 wurden zwei Effekte festgestellt. Bei kleinen Magnetfeldstärken wandern die Partikel zum kalten Rand der Schicht (ST>0), bei steigenden Feldstärken kehrt sich diese Richtung um (ST<0). Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Thermodiffusion gehen dann in eine lineare Stabilitätsanalyse einer Ferrofluidschicht bei anliegendem Temperaturgradienten und Magnetfeld ein. Dabei wird festgestellt, dass die kritische Rayleigh-Zahl als charakteristische Größe zum Einsetzen von Konvektion von dem Soret-Koeffizienten abhängt. Ist letzterer positiv, wird das Einsetzen von Konvektion begünstigt, ist er wiederum negativ, so kann Konvektion vollständig unterdrückt werden.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:18:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao marcus vinicius mendes.pdf: 2369089 bytes, checksum: 841841ae88caf7c6c9adb67b65e533c5 (MD5) Previous issue date: 2009-10-06 / The durability of reinforced concrete structures is damaged by the degrading action of the penetration of substances in the form of gases, vapors and liquids through the pores and cracks. It is known that water both in its pure form or containing dissolved ions such as chloride, sulphate, carbon dioxide or oxygen ions, can compromise the durability of concrete structures. In reinforced concrete structures at the marine environment, for example, the towers of wind power plants, this degradation can be more intense and accelerated. Thus, in the present study were analyzed concretes with different mineral additions (silica fume, blast furnace slag) and water / binder ratios (0.35, 0.45 and 0.55), with the objective to verify if the inside and cover thickness of concrete have some effect on the mechanisms of transport and also the effect of carbonation (only for concrete with w/b equal to 0.55) in the surface layer of concrete is important enough to make dificult the entry of aggressive agents in concrete. For this, the following tests to evaluate the mass transport in concrete were performed: capillary water absorption (NBR 9779:1995), water penetration under pressure (NBR 10787:1994), air permeability (method Figg), penetrability of chloride ion (ASTM C 1202: 2009), non-steadystate migration test (NT BUILD 492:1999). As a result, it was found that the mineral addition used generally provided an improvement in front of the concrete mechanisms of mass transport. In one of the properties, namely the diffusion coefficient (non-steady-state migration) of concrete with the use of silica fume and blast furnace slag, this has been reduced dramatically, around 11 times for the concrete with w/b equal to 0.55, when it is compared with concrete without mineral addition. It was observed that the inner region of concrete behaved better, in an unexpected way, than concrete cover region for some properties (capillary absorption, water penetration under pressure, penetration of chloride ions). From this conclusion, it can be said that the inner part of concrete is composed of transition zones (aggregated interface / mortar) exposed to facilitate the entry of fluids, gases and ions. About the effect of carbonation, this affected the capillary absorption and air permeability. The results led to explain that the clogging of the pores resulting from the product of carbonation (CaCO3), promoted the refinement of the pores, thus increasing capillary force and, consequently, increasing the capillary absorption. However, for air permeability this effect has damaged the passage of air through the surface layer. Finally, it is important noting that significant correlations were found among tests that evaluated the mechanisms of mass transport, namely, penetration of chloride ions and capillary absorption, diffusion coefficient (non-steady-state migration) and capillary absorption, permeability air and water penetration under pressure, penetration of chloride ions and the diffusion coefficient. / A durabilidade das estruturas de concreto armado é prejudicada pela ação deteriorante da penetração de substâncias na forma de gases, vapores e líquidos através de poros e fissuras. Sabe-se que a água, tanto no seu estado puro ou com íons dissolvidos, como os cloretos, sulfato, dióxido de carbono ou oxigênio, pode comprometer a durabilidade das estruturas de concreto. Em estruturas de concreto armado localizadas em ambiente marítimo como, por exemplo, as torres de energia eólica, essa deterioração pode ser mais intensa e acelerada. Diante disso, no presente trabalho foram analisados concretos com diferentes adições minerais (sílica ativa e escória de alto-forno) e relações água/aglomerante (0,35; 0,45 e 0,55), tendo como objetivo principal verificar se a parte interna e o cobrimento do concreto exercem algum efeito nos mecanismos de transporte e, se o efeito da carbonatação (somente para concretos de relação a/g igual a 0,55) na camada superficial do concreto é relevante a ponto de dificultar a entrada de agentes agressivos no concreto. Para isso, foram realizados os seguintes ensaios para avaliar o transporte de massa no concreto: absorção de água por capilaridade (NBR 9779:1995), penetração de água sob pressão (NBR 10787:1994), permeabilidade ao ar (método de Figg), penetrabilidade de cloretos (ASTM C 1202: 2009), ensaio de migração em regime não estacionário (NT BUILD 492:1999). Como resultado constatou-se que as adições minerais empregadas propiciaram de maneira geral uma melhoria dos concretos frente aos mecanismos de transporte de massa. Em uma das propriedades avaliadas, a saber, o coeficiente de difusão (migração regime não estacionário) dos concretos com o emprego de sílica ativa e escória de alto-forno, esse foi reduzido drasticamente, em torno de 11 vezes para os concretos com relação a/ag igual a 0,55, quando comparado com os concretos sem adição mineral. Quanto à região do concreto, notou-se para algumas propriedades (absorção capilar, penetração de água sob pressão, penetrabilidade de cloretos) que a região interna comportou-se melhor, de maneira inesperada, que a região do cobrimento. Diante dessa conclusão, criou-se uma hipótese para tal comportamento que consistiu em afirmar que a parte interna é composta por zonas de transição (interface agregado/pasta) expostas que facilitam a entrada de fluidos, gases e íons. Já com relação ao efeito da carbonatação, esta afetou a absorção capilar e a permeabilidade ao ar. Os resultados levaram a explicar que a colmatação dos poros, advindos do produto (CaCO3) da carbonatação promoveu o refinamento dos poros, aumentando, assim, a força capilar e, conseqüentemente, o aumento da absorção capilar. No entanto, para permeabilidade ao ar esse efeito dificultou a passagem de ar através da camada superficial. Por último, cabe destacar, que correlações importantes foram obtidas entre os ensaios que avaliaram os mecanismos de transporte de massa, a saber, penetrabilidade de cloretos e absorção capilar, coeficiente de difusão (migração regime não estacionário) e absorção capilar, permeabilidade ao ar e penetração de água sob pressão, penetrabilidade de cloreto e coeficiente de difusão.

This thesis primarily focuses on the electrochemical properties of the H₂/H⁺ redox couple, at various metallic electrodes in room temperature ionic liquids. Initially, a comprehensive overview of room temperature ionic liquids, RTILs, compared to conventional organic solvents is presented which identifies their favourable properties and applications, followed by a second chapter describing the basic theory of electrochemistry. A third chapter presents the general experimental reagents, instruments and measurements used in this thesis. The results presented in this thesis are summarized in six further chapters and shown as follows. (1) Hydrogenolysis, hydrogen loaded palladium electrodes by electrolysis of H[NTf₂] in a RTIL [C₂mim][NTf₂]. (2) Palladium nanoparticle-modified carbon nanotubes for electrochemical hydrogenolysis in RTILs. (3) Electrochemistry of hydrogen in the RTIL [C₂mim][NTf₂]: dissolved hydrogen lubricates diffusional transport. (4) The hydrogen evolution reaction in a room temperature ionic liquid: mechanism and electrocatalyst trends. (5) The formal potentials and electrode kinetics of the proton_hydrogen couple in various room temperature ionic liquids. (6) The electroreduction of benzoic acid: voltammetric observation of adsorbed hydrogen at a Platinum microelectrode in room temperature ionic liquids. The first two studies show electrochemically formed adsorbed H atoms at a metallic Pt or Pd surface can be used for clean, efficient, safe electrochemical hydrogenolysis of organic compounds in RTIL media. The next study shows the physicochemical changes of RTIL properties, arising from dissolved hydrogen gas. The last three studies looked at the electrochemical properties of H₂/H⁺ redox couple at various metallic electrodes over a range of RTILs vs a stable Ag/Ag⁺ reference couple, using H[NTf₂] and benzoic acid as proton sources. The kinetic and thermodynamic mechanisms of some reactions or processes are the same in RTILs as in conventional organic or aqueous solvents, but other remarkably different behaviours are presented. Most importantly significant constants are seen for platinum, gold and molybdenum electrodes in term of the mechanism of proton reduction to form hydrogen.

La thèse de doctorat est consacrée aux synthèses de matériaux composites combinant des polymères conducteurs avec des métaux de transition, leur caractérisation par l'utilisation d'un ensemble des méthodes physiques, chimiques et électrochimiques et leur application catalytique. Ces processus ont été réalisés en milieu conventionnel (aqueux et organique) et dans les liquides ioniques à température ambiante. En tant qu’approche de synthèse, nous proposons une méthode simple qui consiste en la réduction chimique de sels inorganiques au moyen de l’oxydation du monomère en milieux variés. La polymérisation du pyrrole en utilisant des sels de Fe(III), Cu(II) et Pd(II) comme oxydants a été réalisée dans une large gamme de conditions de réaction. La cinétique du processus de polymérisation a été étudiée par spectrophotométrie UV-visible et DLS. Les matériaux obtenus ont été caractérisés par les méthodes de voltammétrie cyclique, analyse élémentaire, ICP-AES, AFM, SEM, EDX, TEM, XRD, XPS, XAS, IR. Les propriétés catalytiques et électrocatalytiques des matériaux nanocomposites Pd/polypyrrole ont été analysées pour des réactions du couplage direct hétéroaryle-aryle et l’électrooxidation de l’acide ascorbique. Les procédures alternatives de préparation de polymères conducteurs dans les liquides ioniques, en comparaison avec celles dans les solvents conventionnels, ont été décrites. L’influence des conditions de synthèse sur les propriétés électrochimiques et sur la morphologie des polymères conducteurs a été discutée. L’électrooxidation du ferrocène dans les liquides ioniques a été étudiée en détail, et le modèle du transport diffusionnel dans ces milieux visqueux a été proposé. / The actual PhD thesis is devoted to syntheses of composite materials combining conducting polymers with transition metals, their characterization with the use of a large set of modern physical, chemical and electrochemical methods and initial studies of their catalytic applications. These processes were realized both in conventional (aqueous and organic) media and in room-temperature ionic liquids. As an approach for the chemical synthesis, a simple one-pot non-template method, consisting in the chemical reduction of various inorganic salts by pyrrole monomer in a set of solvents, was applied. Polymerization of pyrrole with the use of Fe(III), Cu(II) and Pd(II) salts as oxidants was carried out in a wide range of reaction conditions. The kinetics of the polymerization process was studied by UV-visible spectroscopy and DLS. The obtained materials were characterized by means of cyclic voltammetry, elemental CHNS analysis, ICP-AES, AFM, SEM, EDX, TEM, XRD, XPS, XAS, IR techniques. Catalytic and electrocatalytic properties of the synthesized Pd/polypyrrole nanocomposites were analyzed for the direct catalytic arylation of heteroaromatics and electrooxidation of ascorbic acid. Alternative ways to conducting polymer preparation in the form of films and powders inside ionic liquids, in comparison to those in conventional media, were described. The influence of the synthesis conditions and of the solvent nature on electrochemical properties and morphology of conducting polymers was discussed. The electrooxidation of ferrocene in ionic liquids was investigated in details, and a model for the diffusional transport in these viscous media was proposed.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Erweiterung der für dicke Proben schon mit Erfolg eingesetzten Werkstoffanalytischen Methode Elektronenstrahl-Mikroanalyse (ESMA) mittels Peak/Untergrund-Verhältnissen auf die Analyse von dünnen Schichten (unter 1 μm) zur qualitative und quantitativen Elementanalyse sowie zur Ermittlung von Schichtdicken. Weiterhin wird auf der Basis von einer ESMA-Methode für zwei dünne Schichten auf einem Substrat wird ein Modell zur Ermittlung des Phasenwachstumskoeffizienten für eine intermetallische Phase die sich bei der Diffusion zwischen einer dünnen Schicht und einem Substrat bildet, mittels ESMA-Messungen bei gleichzeitiger Erwärmung der Probe dargestellt. / The paper deals with the application of the materials analysis method EPMA by peak-to-background ratios, which is currently being used for the analysis of thick samples successfully, to thin layers (less than 1 μm) for the quantitative element analysis as well as for thickness prediction. In addition a model has been established on the Basis of an EPMA method for two films on a substrate for deriving the phase growth coefficient of an inter-metallic phase which grows during the diffusion between a thin layer and a substrate from EPMA measurements while simultaneously heating the sample.