<p align="justify">L'Imagerie fonctionnelle par Résonance Magnétique (IRMf) a connu un développement important depuis sa découverte au début des années 1990. Basée le plus souvent sur l'effet BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent), cette technique permet d'obtenir de façon totalement non-invasive des cartes d'activation cérébrale, avec de meilleures résolutions spatiale et temporelle que les méthodes préexistantes telles que la tomographie par émission de positrons (TEP). Facilement praticable au moyen des imageurs par RMN disponible dans les hôpitaux, elle a mené à de nombreuses applications dans le domaine des neurosciences et de l'étude des pathologies cérébrales.</p><p><p align="justify">Il est maintenant bien établi que l'effet BOLD est dû à une augmentation de l'oxygénation du sang veineux dans les régions du cerveau où se produit l'activation neuronale, impliquant une diminution de la différence de susceptibilité magnétique entre le sang et les tissus environnants (la déoxyhémoglobine étant paramagnétique et l'oxyhémoglobine diamagnétique), et par conséquent un augmentation du signal si la méthode d'acquisition est sensible aux inhomogénéités de champ magnétique. Cependant, il reste encore de nombreuses inconnues quant aux mécanismes liant les variations d'oxygénation, de flux et de volume sanguin à l'augmentation de signal observée, et la dépendance du phénomène en des paramètres tels que l'intensité du champ, la résolution spatiale, et le type de séquence de RMN utilisée. La première partie de la thèse est donc consacrée à l'étude de l'effet BOLD, dans le cas particulier des contributions dues aux veines de drainage dans les séquences de type écho de gradient rendues sensibles au mouvement par l'ajout de gradients de champ. Le modèle développé montre que, contrairement au comportement suggéré par de précédentes publications, l'effet de ces gradients n'est pas une diminution monotone de la différence de signal lorsque l'intensité des gradients augmente. D'importantes oscillations sont produites par l'effet de phase dû au déplacement des spins du sang dans les gradients additionnels, et par la variation de cette phase suite à l'augmentation du flux sanguin. La validation expérimentale du modèle est réalisée au moyen de la séquence PRESTO (Principles of Echo-Shifting combined with a Train of Observations), c'est-à-dire une séquence en écho de gradient où des gradients supplémentaires permettent d'augmenter la sensibilité aux inhomogénéités de champ, et donc à l'effet BOLD. Un accord qualitatif avec la théorie est établi en montrant que la variation de signal observée peut augmenter lorsqu'on intensifie les gradients additionnels.</p><p><p align="justify">Un autre source de débat continuel dans le domaine de l'IRMf réside dans l'optimalisation des méthodes d'acquisition, au point de vue notamment de leur sensibilité à l'effet BOLD, leurs résolutions spatiale et temporelle, leur sensibilité à divers artefacts tels que la perte de signal dans les zones présentant des inhomogénéités de champ à grande échelle, et la contamination des cartes d'activation par les contributions des grosses veines, qui peuvent être distantes du lieu d'activation réel. Les séquences en écho de spin sont connues pour être moins sensibles à ces deux derniers problèmes, c'est pourquoi la deuxième partie de la thèse est consacrée à une nouvelle technique permettant de donner une pondération T2 plutôt que T2* aux images. Le principe de base de la méthode n'est pas neuf, puisqu'il s'agit de la « Préparation T2 » (T2prep), qui consiste à atténuer l'aimantation longitudinale différemment selon la valeur du temps de relaxation T2, mais il n’avait jamais été appliqué à l’IRMf. Ses avantages par rapport à d’autres méthodes hybrides T2 et T2* sont principalement le gain en résolution temporelle et en dissipation d’énergie électromagnétique dans les tissus. Le contraste généré par ces séquences est étudié au moyen de solutions stationnaires des équations de Bloch. Des prédictions sont faites quant au contraste BOLD, sur base de ces solutions stationnaires et d’une description simplifiée de l’effet BOLD en termes de variations de T2 et T2*. Une méthode est proposée pour rendre le signal constant au travers du train d’impulsions en faisant varier l’angle de bascule d’une impulsion à l’autre, ce qui permet de diminuer le flou dans les images. Des expériences in vitro montrent un accord quantitatif excellent avec les prédictions théoriques quant à l’intensité des signaux mesurés, aussi bien dans le cas de l’angle constant que pour la série d’angles variables. Des expériences d’activation du cortex visuel démontrent la faisabilité de l’IRMf au moyen de séquences T2prep, et confirment les prédictions théoriques quant à la variation de signal causée par l’activation.</p><p><p align="justify"> La troisième partie de la thèse constitue la suite logique des deux premières, puisqu’elle est consacrée à une extension du principe de déplacement d’écho (echo-shifting) aux séquences en écho de spin à l’état stationnaire, ce qui permet d’obtenir une pondération T2 et T2* importante tout en maintenant un temps de répétition court, et donc une bonne résolution temporelle. Une analyse théorique approfondie de la formation du signal dans de telles séquences est présentée. Elle est basée en partie sur la technique de résolution des équations de Bloch utilisée dans la deuxième partie, qui consiste à calculer l’aimantation d’état stationnaire en fonction des angles de précession dans le plan transverse, puis à intégrer sur les isochromats pour obtenir le signal résultant d’un voxel (volume element). Le problème est aussi envisagé sous l’angle des « trajectoires de cohérence », c’est-à-dire la subdivision du signal en composantes plus ou moins déphasées, par l’effet combiné des impulsions RF, des gradients appliqués et des inhomogénéités du champ magnétique principal. Cette approche permet d’interpréter l’intensité du signal dans les séquences à écho déplacé comme le résultat d’interférences destructives entre diverses composantes physiquement interprétables. Elle permet de comprendre comment la variation de la phase de l’impulsion d’excitation (RF-spoiling) élimine ces interférences. Des expériences in vitro montrent un accord quantitatif excellent avec les calculs théoriques, et la faisabilité de la méthode in vivo est établie. Il n’est pas encore possible de conclure quant à l’applicabilité de la nouvelle méthode dans le cadre de l’IRMf, mais l’approche théorique proposée a en tout cas permis de revoir en profondeur les mécanismes de formation du signal pour l’ensemble des méthodes à écho déplacé, puisque le cas de l’écho de gradient s’avère complètement similaire au cas de l’écho de spin.</p><p><p align="justify">La thèse évolue donc progressivement de la modélisation de l’effet BOLD vers la conception de séquences, permettant ainsi d’aborder deux aspects fondamentaux de la physique de l’IRMf.</p><p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Orientador: Wu Shin-Ting / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-22T07:56:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 YauriVidalon_JoseElias_M.pdf: 9888204 bytes, checksum: 2eb49026222826c846f3aeb94929c1c6 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Por apresentar alta resolução espacial e espectral, é crescente o uso de imagens de ressonância magnética tanto no estudo dos órgãos humanos como também no diagnóstico das anormalidades estruturais e funcionais e no planejamento e treinamento cirúrgico. Junto com a rápida evolução dos algoritmos de processamento de imagens médicas, surgiram na última década aplicativos de diagnósticos assistidos por computador especializados em mamografia, angiografia e imagens da região torácica. A complexidade estrutural do cérebro e as diferenças anatômicas individuais do crânio constituem, no entanto, ainda desafios ao desenvolvimento de um sistema de diagnóstico especializado em neuro-imagens. A intervenção de especialistas é muitas vezes imprescindível na identificação e na interpretação dos achados radiológicos. Nesta dissertação, propomos o uso de três técnicas para auxiliar os especialistas da área médica na busca por achados radiológicos sutis de forma interativa. São apresentados dois objetos de interação, lente móvel e sonda volumétrica, que permitem atualizar continuamente os dados em foco enquanto são manipulados. Com isso, é possível investigar regiões cerebrais de interesse preservando o seu contexto. E, a fim de facilitar a percepção visual das variações funcionais ou estruturais sutis, propomos utilizar um editor de funções de transferência 1D para realçar ou aumentar o contraste entre os voxels adjacentes. As ferramentas foram avaliadas por um grupo de especialistas em neuro-imagens do Laboratório de Neuro-imagens da Faculdade de Ciências Médicas da Unicamp / Abstract: Because of its high spatial and spectral resolution, it is increasing the use of magnetic resonance images both in the study of human organs as well as in the diagnosis of structural and functional abnormalities and in the surgery planning and training. Along with the rapid evolution of medical image processing algorithms, computer-aided diagnostics systems specialized in mammography, angiography, and computed tomography and magnetic resonance of the thorax have emerged in the last decade. The structural complexity of the brain and individual anatomical shape of skulls are, however, challenges in developing a diagnostic system specializing in neuro-imaging. Expert interventions are still essential both in the identification and in the interpretation of radiological findings. In this dissertation, we propose the use of three techniques to aid the medical experts in the search of subtle findings in an interactive way. We present two widgets, movable lens and volumetric probe, that allow one to update continuously the volume data in focus while are manipulated. In this way, it is possible to investigate brain regions of interest preserving its context. And, in order to facilitate the visual perception of the subtle functional or structural changes, we propose to use an editor of 1D transfer function to enhance or to increase the contrast between adjacent voxels. The tools were assessed by the neuro-imaging experts of the Laboratory of Neuro-Images of the Faculty of Medical Sciences of Unicamp / Mestrado / Engenharia de Computação / Mestre em Engenharia Elétrica

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / We present a novel, variational and statistical approach for model-based segmentation. Our model generalizes the Chan-Vese model, proposed for concurrent segmentation of multiple objects embedded in the same image domain. We also propose a novel shape descriptor, namely the Multi-Compartment Distance Functions or mcdf. Our proposed framework for segmentation is two-fold: first, several training samples distributed across various classes are registered onto a common frame of reference; then, we use a variational method similar to Active Shape Models (or ASMs) to generate an average shape model and hence use the latter to partition new images. The key advantages of such a framework is: (i) landmark-free automated shape training; (ii) strict shape constrained model to fit test data. Our model can naturally deal with shapes of arbitrary dimension and topology(closed/open curves). We term our model Active Geometric Model, since it focuses on segmentation of geometric shapes. We demonstrate the power of the proposed framework in two important medical applications: one for morphology estimation of 3D Motor Neuron compartments, another for thickness estimation of Henle's Fiber Layer in the retina. We also compare the qualitative and quantitative performance of our method with that of several other state-of-the-art segmentation methods.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Hematopoietic stem cell (HSC) transplantation is a lifesaving therapy for a number of hematological disorders. However, to be effective, transplanted HSCs must efficiently “home” to supportive niches within the bone marrow. Limited HSC number and poor function are complications of transplant in some circumstances, and can lead to delayed engraftment and immune reconstitution, or in some cases, bone marrow failure. Enhancing HSC homing is a strategy to improve stem cell transplantation efficiency. We have previously shown that ex vivo treatment of mouse or human HSCs with 16-16 dimethyl PGE2 (dmPGE2) increases their bone marrow homing efficiency and engraftment, resulting in part from upregulation of surface CXCR4 expression. We now show that pulse-treatment of mouse or human HSPCs with dmPGE2 stabilizes HIF1α in HSPCs, and that similar treatment with the hypoxia mimetic DMOG produces analogous effects to dmPGE2 on HSPC CXCR4 expression and homing. This suggests that HIF1α is responsible for PGE2’s enhancing effects on HSPCs. Pharmacological inhibition of HIF1α stabilization in vitro with Sodium Nitroprusside (SNP), confirms the requirement of HIF1α for dmPGE2-enhanced migration and CXCR4 upregulation. Additionally, we confirm the requirement for HIF1α in dmPGE2-enhanced in vivo homing using a conditional knockout mouse model of HIF1α gene deletion. Finally, we validate that the hypoxia response element located 1.3kb from the transcriptional start site within the CXCR4 promoter is required for enhanced CXCR4 expression after PGE2 treatment. Interestingly, we also observe an increase in the small GTPase Rac1 after dmPGE2 treatment, as well as a defect in PGE2-enhanced migration and CXCR4 expression in Rac1 knockout HSPCs. Using state-of-the-art imaging technology we, confirm an increase in Rac1 and CXCR4 colocalization after dmPGE2 treatment that likely explains enhanced sensitivity of PGE2-treated HSPCs to SDF-1. Taken together, these results define a precise mechanism through which ex vivo pulse treatment of HSPC with dmPGE2 enhances HSPC function through alterations in cell motility and homing, and describe a role for hypoxia and HIF1α in enhancement of hematopoietic transplantation.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Object segmentation, quantification, and shape modeling are important areas inmedical image processing. By combining these techniques, researchers can find valuableways to extract and represent details on user-desired structures, which can functionas the base for subsequent analyses such as feature classification, regression, and prediction. This thesis presents a new framework for building a three-dimensional (3D) hippocampal atlas model with subfield information mapped onto its surface, with which hippocampal surface registration can be done, and the comparison and analysis can be facilitated and easily visualized. This framework combines three powerful tools for automatic subcortical segmentation and 3D surface modeling. Freesurfer and Functional magnetic resonance imaging of the brain's Integrated Registration and Segmentation Tool (FIRST) are employed for hippocampal segmentation and quantification, while SPherical HARMonics (SPHARM) is employed for parametric surface modeling. This pipeline is shown to be effective in creating a hippocampal surface atlas using the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative Grand Opportunity and phase 2 (ADNI GO/2) dataset. Intra-class Correlation Coefficients (ICCs) are calculated for evaluating the reliability of the extracted hippocampal subfields. The complex folding anatomy of the hippocampus offers many analytical challenges, especially when informative hippocampal subfields are usually ignored in detailed morphometric studies. Thus, current research results are inadequate to accurately characterize hippocampal morphometry and effectively identify hippocampal structural changes related to different conditions. To address this challenge, one contribution of this study is to model the hippocampal surface using a parametric spherical harmonic model, which is a Fourier descriptor for general a 3D surface. The second contribution of this study is to extend hippocampal studies by incorporating valuable hippocampal subfield information. Based on the subfield distributions, a surface atlas is created for both left and right hippocampi. The third contribution is achieved by calculating Fourier coefficients in the parametric space. Based on the coefficient values and user-desired degrees, a pair of averaged hippocampal surface atlas models can be reconstructed. These contributions lay a solid foundation to facilitate a more accurate, subfield-guided morphometric analysis of the hippocampus and have the potential to reveal subtle hippocampal structural damage associated.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Adaptive-optics optical coherence tomography (AOOCT) is a technology that has been rapidly advancing in recent years and offers amazing capabilities in scanning the human eye in vivo. In order to bring the ultra-high resolution capabilities to clinical use, however, newer technology needs to be used in the image reconstruction process. General purpose computation on graphics processing units is one such way that this computationally intensive reconstruction can be performed in a desktop computer in real-time. This work shows the process of AOOCT image reconstruction, the basics of how to use NVIDIA's CUDA to write parallel code, and a new AOOCT image reconstruction technology implemented using NVIDIA's CUDA. The results of this work demonstrate that image reconstruction can be done in real-time with high accuracy using a GPU.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Adaptive optics-optical coherence tomography (AO-OCT) is a non-invasive method of imaging the human retina in vivo. It can be used to visualize microscopic structures, making it incredibly useful for the early detection and diagnosis of retinal disease. The research group at Indiana University has a novel multi-camera AO-OCT system capable of 1 MHz acquisition rates. Until this point, a method has not existed to process data from such a novel system quickly and accurately enough on a CPU, a GPU, or one that can scale to multiple GPUs automatically in an efficient manner. This is a barrier to using a MHz AO-OCT system in a clinical environment. A novel approach to processing AO-OCT data from the unique multi-camera optics system is tested on multiple graphics processing units (GPUs) in parallel with one, two, and four camera combinations. The design and results demonstrate a scalable, reusable, extensible method of computing AO-OCT output. This approach can either achieve real time results with an AO-OCT system capable of 1 MHz acquisition rates or be scaled to a higher accuracy mode with a fast Fourier transform of 16,384 complex values.