Congenital cardiovascular defects occur in approximately one percent of live births annually. One example is pulmonary artery stenosis, a narrowing of the major artery connecting the right ventricle to the lungs. As a result, the blood flow towards the lungs is decreased, making it difficult for blood to be reoxygenated. / In order to remedy such a condition, pediatric cardiologists often opt for a minimally invasive procedure that is, inserting a stent, a tubular prosthetic to hold the artery open. However, the available stents that are inserted in the infant are adult stents designed for coronary artery disease. These adult stents do not accommodate for growth in children, therefore re-dilations of the implanted stent are required every three years or so. However, as the child is growing, open heart surgery has to eventually be performed to remove this no longer adequate prosthesis. / The goal of this project is to optimize a pediatric stent design the major characteristic of which is an open loop design that accommodates for the infant‟s artery growth. This design was generated following engineering design steps (problem definition, design embodiment, etc.) and is optimized through numerical simulations and mechanical testing. After several iterations, the current generation of stents fulfills a majority of the design requirements On the other hand, this design is not without flaws or limitations, and it should be further improved. However, it is a promising design which could potentially be successful in animal experiments / Finally, a stent designed specifically for the pediatric population would be a major breakthrough in the field of pediatric cardiology as only minimally invasive surgeries would be performed and open heart surgery avoided. / Annuellement, 1% de nouveaux nés souffrent de maladies cardiovasculaires congénitales. Parmi celles-ci, nous retrouvons la sténose de l'artère pulmonaire qui est, en fait, un rétrécissement du vaisseau acheminant le sang oxygéné des poumons vers le ventricule droit. / L'utilisation d'un stent (ou tuteur) adulte habituellement employé pour traiter les sténoses des artères coronaires soulève un problème d'importance majeure. En effet, le stent coronarien, n'ayant pas le potentiel de s'adapter à la croissance somatique de l'enfant, il est alors nécessaire d'avoir recours à une chirurgie à coeur ouvert ultérieure pour enlever le stent lorsqu'il devient inadapté à la taille de l'artère. Une première génération de stents a pu être développée en suivant les différentes étapes couramment utilisées pour concevoir un nouveau design dans le domaine de l'ingénierie (Définition de la problématique, génération de concepts, etc.). A partir de là, la méthodologie suivie consiste à améliorer le design en ayant recours à des simulations numériques ainsi qu'à des tests mécaniques. Cela se fait de façon incrémentale dépendamment des résultats obtenus à l'étape précédente. Suivant la méthodologie décrite précédemment, il a été possible d'améliorer le design et diverses générations de stents ont pu êtres créées et améliorées. / La génération actuelle de stents répond à la majorité des exigences structurelles. Bien que ce design ne soit pas sans failles, ce serait un pas prometteur si les tests in vivo s'avéraient concluants et positifs. / Finalement, un stent pour la population pédiatrique pourrait constituer une importante percée dans le domaine de la cardiologie pédiatrique permettant ainsi d'avoir recours à des procédures non invasives, évitant une chirurgie à coeur ouvert.

Simultaneous electroencephalography and functional magnetic resonance imaging (EEG-fMRI) is a potentially useful diagnostic modality for the presurgical evaluation of patients with refractory focal epilepsy. The goal of EEG-fMRI is to localize hemodynamic correlates of epileptic discharges. The data is usually analyzed in the general linear model (GLM) framework, which assumes that the electrical and hemodynamic signals are coupled by a fixed canonical hemodynamic response function (HRF). However, the HRF is known to show some variability that may affect the sensitivity of the method. Investigating this variability may reveal additional useful information about the data. / This thesis presents a method to analyze EEG-fMRI data independently of a prior HRF model, using independent component analysis (ICA). With minimal prior assumptions, ICA can decompose the fMRI into components representing the major fluctuations present in the data. A deconvolution method then identifies components showing significant signal changes related to the epileptic discharges, independently of the HRF shape. / First, the performance of the proposed method is evaluated on simulated activations under a wide variety of realistic conditions. It is also shown that the GLM framework may fail to detect activations if the HRF varies only slightly from the canonical shape. The method is then applied to recordings of epileptic seizures. The GLM analysis typically yields very widespread areas of activation, but the ICA method can decompose these areas into multiple clusters with various HRF peak delays. Clusters with early HRF delays correspond well with presumed seizure onset regions, while other clusters may be related to seizure propagation. Finally, the method is used to investigate the variability of the HRF amplitude in response to interictal epileptiform discharges (IED). It is shown that clusters of activation in the presumed epileptogenic focus show a significant correlation between HRF amplitudes and IED amplitudes, unlike clusters in distant regions. Therefore, the method can improve the specificity of the EEG-fMRI analysis. / L'enregistrement simultané de l'électroencéphalogramme et de l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (EEG-IRMf) constitue une modalité potentiellement utile pour l'évaluation préchirurgicale de patients souffrant d'épilepsie focale réfractaire. L'objectif de l'EEG-IRMf est de localiser les corrélats hémodynamiques de décharges épileptiques. Les données sont habituellement analysées dans le cadre du modèle linéaire généralisé (MLG), qui définit la relation entre les signaux électriques et hémodynamiques par une fonction de réponse hémodynamique (FRH) canonique fixe. Cependant, la FRH démontre une certaine variabilité pouvant affecter la sensibilité de la méthode. L'examen de cette variabilité pourrait révéler des informations additionnelles au sujet des données. / Cette thèse présente une méthode d'analyse des données EEG-IRMf indépendamment d'un modèle de la FRH, basée sur l'analyse en composantes indépendantes (ACI). Avec un minimum de présuppositions, l'ACI peut décomposer l'IRMf en composantes représentant les fluctuations majeures présentes dans les données. Ensuite, une déconvolution identifie les composantes ayant une variation significative de signal reliée aux décharges épileptiques, indépendamment de la forme de la FRH. / La performance de la méthode proposée est d'abord évaluée sur des activations simulées sous diverses conditions réalistes. Il est également démontré que le MLG risque de ne pas détecter d'activations si la FRH est légèrement différente de la forme canonique. La méthode est ensuite appliquée à des enregistrements de crises épileptiques. Typiquement, l'analyse par le MLG génère de larges régions activées, mais la méthode basée sur l'ACI peut décomposer ces régions en plusieurs groupes ayant divers délais de la FRH. Les régions ayant un délai précoce de la FRH correspondent bien avec la zone présumée d'origine des crises, alors que les autres régions pourraient être reliées à la propagation des crises. Enfin, la méthode est utilisée pour étudier la variabilité de l'amplitude de la FRH en relation avec des décharges épileptiformes interictales (DEI). Il est démontré que les régions d'activation dans la zone épileptogène présumée montrent une corrélation significative entre les amplitudes des FRHs et des DEIs, ce qui n'est pas le cas pour les régions plus distantes. La méthode peut donc améliorer la spécificité de l'analyse des données EEG-IRMf.

The Mongolian gerbil has been widely used in middle-ear research, as it is low in cost and has easily approachable middle-ear structures. The goal of this study was to present vibration measurements of the gerbil tympanic membrane. A single-point laser Doppler vibrometer was used to measure displacement frequency responses in twelve gerbils at multiple points on the tympanic membrane. A sinusoidal sweep excitation was used to perform the vibration measurements. Displacements at the umbo, normalized with respect to the sound pressure level measured near the tympanic membrane, are presented over the frequency range from 0.2 to 10 kHz, and compared with measurements published in the literature. Displacements at multiple locations on the pars flaccida and pars tensa are also presented, and the variability and repeatability of the measurements are investigated. / La gerbille de Mongolie est de plus en plus utilisée dans la recherche sur l'oreille moyenne, car elle est peu coûteuse, et les structures de son oreille moyenne sont facilement accessibles. Le but de cette étude est de présenter des mesures de vibrations du tympan de la gerbille. Des réponses fréquentielles des déplacements furent acquises à l'aide d'un vibromètre à laser Doppler Polytec, dans douze gerbilles à plusieurs points sur le tympan. Un stimulus à balayage sinusoïdal fut employé. Des déplacements à l'umbo, normalisés par le niveau de pression acoustique mesuré près du tympan, sont présentés dans la gamme de fréquence de 0.2 à 10 kHz, et comparés aux mesures publiées dans la littérature. Des déplacements à plusieurs endroits sur le pars flaccida et le pars tensa sont aussi présentés, et la variabilité et la répétabilité des mesures sont étudiées.

Hearing loss is a very common birth defect. However, current hearing screening does not provide adequate specificity. Tympanometry is a potential hearing-screening tool that is specific to conductive hearing loss, but the tympanograms of newborns are currently not standardized and not well understood. Finite-element models of the newborn ear canal and middle ear are developed and their responses to the tympanometric probe tone are studied. Low-frequency and dynamic simulations are used to model the ear's response to sound frequencies up to 2000 Hz. Material properties are taken from previous measurements and estimates, and the sensitivities of the models to these different parameters are examined. The simulation results are validated through comparison with previous experimental measures. Finally, the relative admittances of the ear canal and the middle ear at different frequencies are examined and implications for the interpretation of newborn tympanometry are discussed. / La perte d'audition est une anomalie congénitale très courante. Toutefois, le dépistage auditif actuel n'est pas spécifique. La tympanométrie est un dépistage auditif potentiel qui aide à dépister la surdité de transmission, mais les tympanogrammes des nouveau-nés ne sont pas bien compris ou standardisés. Deux modèles d'éléments finis ont été développés: l'un pour le conduit auditif des nouveau-nés, et l'autre pour l'oreille moyenne. Leurs réponses au ton de sonde tympanométrique sont étudiées. Les simulations quasi-statiques et dynamiques sont utilisés pour modeler la réponse de l'oreille aux fréquences de son jusqu'à 2000 Hz. Les propriétés matérielles sont prises des mesures et des estimations précédentes, et les sensibilités des modèles à ces différents paramètres sont examinées. Les résultats des simulations sont validés par la comparaison avec les mesures expérimentales précédentes. Enfin, les impédances relatives du canal externe de l'oreille et de l'oreille moyenne aux fréquences différentes sont examinées et les implications pour l'interprétation de la tympanométrie du nouveau-né sont discutées.

In vivo magnetic resonance spin-spin relaxation data can be decomposed into T2 distributions using a non-negative least squares algorithm thereby allowing multiple water compartments of tissue to be distinguished. In brain, T2 distributions typically contain myelin water (MW), intra/extra-cellular water, and cerebrospinal fluid. The percentage of MW signal to the total T2 distribution signal constitutes the myelin water fraction (MWF), which is related to myelin content, making it a useful measure for monitoring demyelinating diseases like multiple sclerosis. / This thesis presents simulations of T2 decay curves for white and grey matter brain tissue models and investigates the effect of analysis procedures on the T2 distribution and the MWF estimates. Cross-site reproducibility and scan re-scan experiments were also conducted to establish the reliability of MWF estimates and hence the applicability of the technique for clinical trials.

The specific stimuli for osteogenesis are not clearly defined. It has been generally assumed that the chemical similarity of some biomaterials, such as hydroxyapatite and tri-calcium phosphate, to the mineral phase of bone generates a favorable osseous response. However, this does not account for the osseous response observed with a diverse range of metallic biomaterials that when placed in an osseous environment under appropriate conditions become osseointegrated. In this context, microtexture is essential for osseointegration; implants with irregularly microtextured surfaces (Ra 1-7 μm) are generally apposed by bone whereas those with polished surfaces (R a ≪ 0.5 μm) are generally apposed by fibrous tissue. / Understanding the specific local stimuli for osteogenesis provides important information to optimize cementless implant design and new bone formation. This thesis suggests that surface topography is a specific local stimulus for osteogenesis as demonstrated in the context of in vivo and in vitro models. / To test the stimulatory effect of surface texture, a technique was developed to apply an irregular microtexture to sintered beaded porous coatings which doubled the amount of bone ingrowth. Another technique was developed to mask the chemistry of plasma sprayed hydroxyapatite without altering its topography. Plasma sprayed hydroxyapatite coatings possess a distinct microtexture comparable to that found on commercially available microtextured implants. In this in vivo model nearly 80% of the osseous response to hydroxyapatite coated implants was attributed to surface topography not chemistry. / Further studies were undertaken to determine if a biological analog existed for the rough irregular surfaces found on commercially available microtextured implants. A fracture model was developed that generated a range clinically observed of fracture types. Overall the different fracture surfaces possessed an irregular microtexture (Ra = 2.85 +/- 1.32 μm) that was not statistically different from those found on commercially available microtextured implants (Ra = 2-5 μm). / A novel method was developed to examine the response of pre-osteoblast cells to bone fracture surfaces. Disks of bone were fabricated from bovine tibia for in vitro study. A fractured surface was produced on these disks by splitting them with an osteotome. From each fractured disk pair, one half was polished to a smooth surface and the other left as fractured. A further subset of disks was produced by masking the surface chemistry with a nanometer thin layer of titanium using the technique previously described. Regardless of surface chemistry, bone or bone masked by titanium, formation of a mineralized matrix was observed only on the fractured surfaces. This suggested that the microtexture of the fracture surface may be a stimulus for new bone formation. Furthermore, the osseous response to microtextured implants may in fact be a response to what is perceived as a fracture surface.

A novel approach whereby one can use probiotic bacteria for the purpose of topical and oral therapy is presented. More specifically, a treatment modality using enzymatically active probiotic production of gaseous nitric oxide (gNO) for wound healing, antimicrobial, cosmetic, and dermatologic therapy is presented. In another aspect, a probiotic treatment modality for metabolic disease and metabolic syndrome using nitrate reductase (NiR) active probiotic bacteria is explored. In concurrence to these requirements, several in-vitro methods are designed and discussed in this report. For some of these studies the use of alginate microcapsules is explored. Results show that probiotic patches can be used for the production of gNO above therapeutic levels and for therapeutic durations and that probiotic gNO-producing patches are highly bacteriostatic, bactericidal, and fungicidal. Results show that the novel gNO-producing probiotic patch can be used to improve wound healing and increase the likelihood of wound closure in ischemic and infected full-thickness dermal wounds in a New Zealand White Rabbit model and that daily application of the patch is safe with respect to body weight, blood morphology, haematology, blood biochemistry, and methemoglobin levels. Also, results show that novel NiR-active probiotic bacteria can be selected for nitrate reductase (NiR) activity in-vitro, and can be microencapsulated or delivered free under simulated GI conditions, and in the presence of various food matrices while maintaining NiR activity, confirming the lab scale feasibility of the approach in delivering the probiotic orally for treating hypertension, inflammatory bowel disease, gastric ulcers, diabetes and thrombosis. These findings may provide effective, safe, and less costly alternatives for delivering gNO topical and oral for therapy. / Une nouvelle approche selon laquelle on peut utiliser des bactéries probiotiques dans le but de la thérapie topique et de la thérapie par voie orale est présentée. Plus précisément, une modalité de traitement, utilisant des probiotiques à activité enzymatique produisant de l'oxyde nitrique gazeux (NOg) pour la cicatrisation des plaies, ainsi que comme thérapies antimicrobiennes, cosmétiques et dermatologiques, est présenté. Dans un autre aspect, une modalité de traitements probiotiques pour les maladies métaboliques et les syndromes métaboliques en utilisant du nitrate réductase (NiR) bactéries probiotiques actives est explorée. En accord à ces exigences, plusieurs méthodes in vitro sont conçus et discutés dans le présent rapport. Pour certaines de ces études l'utilisation de micro capsules d'alginate est explorée également. Les résultats montrent que les correctifs probiotiques peuvent être utilisés pour la production de NOg au-dessus des niveaux thérapeutiques et pour des durées thérapeutiques et que les patches de NOg-producteurs de probiotiques sont très bactériostatiques, bactéricide et fongicide. Les résultats montrent que les nouvelles patches de NOg producteurs de probiotiques peuvent être utilisés pour améliorer la cicatrisation et augmenter la probabilité de fermeture de la plaie dans les plaies de pleine épaisseur ischémique et infectés par voie cutanée dans un modèle néo-zélandais White Rabbit et que l'application quotidienne des patches est sécuritaire en proportion avec le poids du corps, la morphologie du sang, l'hématologie, biochimie sanguine, et les niveaux de méthémoglobine. En outre, les résultats montrent que les nouvelles NiR-bactéries probiotiques actives peuvent être sélectionnés pour la nitrate réductase (NiR) l'activité in vitro, et peut être micro encapsulées ou remis gratuitement dans des conditions simulées GI, et en présence de diverses matrices alimentaires, tout en maintenant l'activité NiR, confirmant ainsi la faisabilité échelle du laboratoire de l'approche dans la réalisation des probiotiques par voie orale pour le traitement de l'hypertension, les maladies inflammatoires de l'intestin, les ulcères gastriques, le diabète et la thrombose. Ces résultats peuvent s'avérer efficaces, sûrs, et des solutions moins coûteuses pour offrir NOg topiques et oraux pour le traitement.

The finite-element method is based on the discretization of a distributed system. The system subdivision process is called mesh generation. The number, order, geometric characteristics (shape, size and orientation) and physical characteristics (material properties, boundary conditions and load conditions) of elements in the mesh will affect the accuracy of the finite-element solution. The objective of this project is to establish a number of criteria for evaluating 3-D mesh-generation software, and to select the 3-D mesh generator that is most suitable for use in our software pipeline for modelling and simulation of complex natural structures. The evaluation criteria for this project include: ability to preserve the surface mesh during 3-D mesh generation; mesh quality; robustness; time efficiency; and cost. The mesh quality is assessed by visualization methods; histograms of the shape qualities and sizes of elements; solution residuals; condition numbers; and closeness to the exact solution as estimated by a convergence curve. Four unstructured mesh-generation programmes (GiD, Gmsh, GRUMMP and TetGen) have been evaluated. A thin block and three structures (one ligament and two ossicles) of the middle ear were chosen to be the models for the evaluation. A programme was developed to convert the surface definitions describing the models to the native file formats of the mesh-generation programmes, to verify that the surface meshes of these models could be successfully imported into the mesh-generation programmes, and to verify that the resulting volume meshes are topologically correct. The results of the evaluation indicate that the mean value of the shape qualities of elements, the root mean square of the solution residuals, and the closeness to the exact solution are good indicators of the overall mesh quality. The Gmsh programme is finally selected as the best 3-D mesh generator for the purposes of our software pipeline.

This study describes the preparation and characterization of biodegradable nano-artificial cells containing the enzyme tyrosinase. The rationale for doing this is that this may have potential implication for the treatment of melanoma, a fatal skin tumour that is tyrosine-dependent. A poly (ethylene glycol)- poly (lactic acid) block-copolymer has been prepared and characterized. A method for the preparation of the tyrosinase nanocapsules has been designed. The physical properties and the membrane properties of the nanocapsules have been characterized. The electron microscopy images show round and unaggregated nanocapsules. The average size of these nanocapsules can be controlled by modifying the stirring speed. Studies on the enzymatic properties show that tyrosinase can be nanoencapsulated without being inactivated. Nanoencapsulated tyrosinase is stable for several weeks when stored at 4ºC. Nanoencapsulation greatly increases the stability of tyrosinase at 37ºC. In vivo studies show that one intravenous injection of tyrosinase nanocapsules can effectively and quickly decrease the systemic tyrosine level to very low levels. / Cette thèse décrit la préparation et la caractérisation de nano-cellules artificielles biodégradables contenant l'enzyme tyrosinase. La raison de cette étude est la possibilité d'application au traitement du mélanome, un cancer de la peau mortel. Un copolymère de polyethylène glycol et d'acide polylactique a été préparé et caractérisé. Une méthode pour la préparation des nanocapsules de tyrosinase a été mise au point. Les propriétés physiques des nanocapsules ainsi que les propriétés de leur membrane ont été étudiées. Les images prises à l'aide de microscopes à électrons montrent des nanocapsules rondes et qui ne s'agrègent pas. La taille moyenne des nanocapsules peut être contrôlée en modifiant la vitesse de l'agitateur magnétique lors de leur préparation. L'étude de l'activité enzymatique montre que la tyrosinase peut être nano-encapsulée sans être inactivée. La tyrosinase dans les nanocapsules est stable pendant plusieurs semaines à 4ºC. La nano-encapsulation augmente fortement la stabilité de la tyrosinase à 37ºC. Les expériences in vivo montrent que les niveaux de tyrosine circulant peuvent être réduits efficacement et rapidement avec une injection intraveineuse de ces nanocapsules contenant de l'enzyme tyrosinase. fr

Glutaraldehyde is a fixing agent for heterologus pericardium used in cardiac surgery. It is known to sterilize and stabilize the material and change its properties. However, it is uncertain whether fixation of autologous tissue is necessary. Fresh human pericardium specimens were harvested from cardiac surgery and cut into four smaller samples: two were kept in the native (fresh) state and two chemically treated with Carpentier's Solution (0.625% glutaraldehyde) for 10 min. The equi-biaxial response of each sample was tested with a biaxial tensile machine. Samples of other patch materials (bovine pericardium, Dacron) were also tested. Fresh tissue was significantly stiffer than fixed tissue but was then shown to be the result of significant tissue swelling due to the treatment. The fresh and fixed pericardium tissue displayed anisotropy, with the longitudinal direction being stiffer than the transverse. Comparing human pericardium (fresh and fixed) to Dacron and bovine pericardium (commercially obtained), Dacron was found to be the stiffest material followed by bovine pericardium. Surgeons should be aware of the mechanical differences of patch materials when planning surgery / Le glutaraldéhyde est un agent fixateur utilisé dans la cardiochirurgie pour stériliser et stabiliser les péricardes hétérologues. Cependant, il n'est pas certain quant à savoir si la fixation du tissu autologue est nécessaire. Des spécimens humains du péricarde ont été recueillis de patients de cardiochirurgie et coupés en quatre petits échantillons. L'état initial de deux d'entre eux a été conservé alors que les deux autres ont baignés dans une solution de Carpentier (0.625% glutaraldéhyde) pendant 10 minutes. La tension équibiaxiale de chaque échantillon a été mesurée avec une machine à tension biaxiale. Il a été fait de même pour des échantillons de matériaux substituts (péricarde de bovin, Dacron). Le tissu conservé était manifestement plus rigide que le tissu fixé. Il a été établi que l'écart des résultats s'explique par le gonflement que le tissu fixé a subi lorsqu'il a été immergé dans l'agent fixateur. De plus, il a été démontré que les deux tissus sont anisotropes. Les mesures de tension en direction longitudinale étaient plus élevées que celles en direction transversale. En comparant les échantillons de péricardes humains à deux autres matériaux substituts disponibles sur le marché, il a été établi que le Dacron suivi du péricarde de bovin sont plus rigides. Les chirurgiens doivent connaître les propriétés de ces matériaux afin d'utiliser celui le mieux adapté à leur diagnostic.