abstract: Magnetic resonance spectroscopic imaging (MRSI) is a valuable technique for assessing the in vivo spatial profiles of metabolites like N-acetylaspartate (NAA), creatine, choline, and lactate. Changes in metabolite concentrations can help identify tissue heterogeneity, providing prognostic and diagnostic information to the clinician. The increased uptake of glucose by solid tumors as compared to normal tissues and its conversion to lactate can be exploited for tumor diagnostics, anti-cancer therapy, and in the detection of metastasis. Lactate levels in cancer cells are suggestive of altered metabolism, tumor recurrence, and poor outcome. A dedicated technique like MRSI could contribute to an improved assessment of metabolic abnormalities in the clinical setting, and introduce the possibility of employing non-invasive lactate imaging as a powerful prognostic marker. However, the long acquisition time in MRSI is a deterrent to its inclusion in clinical protocols due to associated costs, patient discomfort (especially in pediatric patients under anesthesia), and higher susceptibility to motion artifacts. Acceleration strategies like compressed sensing (CS) permit faithful reconstructions even when the k-space is undersampled well below the Nyquist limit. CS is apt for MRSI as spectroscopic data are inherently sparse in multiple dimensions of space and frequency in an appropriate transform domain, for e.g. the wavelet domain. The objective of this research was three-fold: firstly on the preclinical front, to prospectively speed-up spectrally-edited MRSI using CS for rapid mapping of lactate and capture associated changes in response to therapy. Secondly, to retrospectively evaluate CS-MRSI in pediatric patients scanned for various brain-related concerns. Thirdly, to implement prospective CS-MRSI acquisitions on a clinical magnetic resonance imaging (MRI) scanner for fast spectroscopic imaging studies. Both phantom and in vivo results demonstrated a reduction in the scan time by up to 80%, with the accelerated CS-MRSI reconstructions maintaining high spectral fidelity and statistically insignificant errors as compared to the fully sampled reference dataset. Optimization of CS parameters involved identifying an optimal sampling mask for CS-MRSI at each acceleration factor. It is envisioned that time-efficient MRSI realized with optimized CS acceleration would facilitate the clinical acceptance of routine MRSI exams for a quantitative mapping of important biomarkers. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Bioengineering 2016

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Thesis advisor: Michael Graf / The purpose of this dissertation was to investigate the temporal limit on the ability to measure temperature changes using magnetic resonance imaging (MRI). The limit was examined in experiments using a variety of imaging techniques for MRI-based temperature measurements. We applied these methods for monitoring temperature changes in focused ultrasound (FUS) heating experiments. FUS is an attractive alternative to surgical resection due to its noninvasive character. FUS treatments have been successfully conducted in several clinical applications. MRI and MR thermometry is a natural choice for the guidance of FUS surgeries, given its ability to visualize, monitor, and evaluate the success of treatments. MR thermometry, however, can be a very challenging application, as good resolution is often needed along spatial, temporal as well as temperature axes. These three quantities are strictly related to each other, and normally it is theoretically impossible to simultaneously achieve high resolutions for all axes. In this dissertation, techniques were developed to achieve this at cost of some reduction in spatial coverage. Given that the heated foci produced during thermal therapies are typically much smaller than the anatomy being imaged, much of the imaged field-of-view is not actually being heated and may not require temperature monitoring. By sacrificing some of the in-plane spatial coverage outside the region-of-interest (ROI), significant gains can be obtained in terms of temporal resolution. In the extreme, an ROI can be chosen to be a narrow pencil-like column, and a sampling time for temperature imaging is possible with a temporal resolution of a few milliseconds. MRI-based thermal imaging, which maps temperature-induced changes in the proton resonance frequency, was implemented in two projects. In the first project, three previously described, fast MR imaging techniques were combined in a hybrid method to significantly speed up acquisition compared to the conventional thermometry. Acceleration factors up to 24-fold were obtained, and a temporal resolution as high as 320 milliseconds was achieved. The method was tested in a gel phantom and in bovine muscle samples in FUS heating experiments. The robustness of the hybrid method with respect to the cancellation of the fat signal, which causes temperature errors, and the incorporation of the method into an ultrafast, three dimensional sequence were also investigated. In the second project, a novel MR spectroscopic sequence was investigated for ultrafast one-dimension thermometry. Temperature monitoring was examined during FUS sonications in a gel phantom, SNR performance was evaluated in vivo in a rabbit brain, and feasibility was tested in a human heart. It was shown capable in a FUS heating experiment in a gel phantom of increasing temporal resolution to as high as 53 milliseconds in a three Tesla MRI. The temporal resolution achieved is an order of magnitude faster than any other rapid MR thermometry sequences reported. With this one-dimensional approach, a short sampling time as low as 3.6 milliseconds was theoretically achievable. However, given the SNR that could be achieved and the limited heating induced by FUS in the gel phantom in a few milliseconds, any temperature changes in such a short period were obscured by noise. We have analyzed the conditions whereby a temporal resolution of a few-milliseconds could be obtained. / Thesis (PhD) — Boston College, 2011. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Physics.

L'étude des arcs électriques dans les liquides débute au XXème siècle suite à la création des premiers disjoncteurs à bain d'huile et à l'utilisation de différents procédés de soudure/découpe en pleine eau de coques de navire. Ces études ont été délaissées pendant environ 60 ans jusqu'à ce que de nouvelles applications voient le jour comme la fabrication de nanostructures (pour le génie électrique, la médecine, etc), la fracturation électrique ou encore diverses applications environnementales (dépollution, stérilisation, gazéification, ondes de chocs). Ces diverses applications se font avec des temps et des énergies mises en jeu pour la décharge très variables. Malgré ces différences, il y a toujours l'apparition d'une phase gazeuse globalement sphérique due au passage du courant. Cependant, cette phase est très peu étudiée dans la littérature notamment pour des décharges de l'ordre du kilojoule pour des durées de 10ms environ. L'objectif de la thèse est donc d'améliorer la compréhension de la formation et de la dynamique de la bulle de gaz alimentée par cet arc en jouant sur certains paramètres du système. Les travaux effectués s'articulent suivant deux axes : une étude expérimentale pour analyser le comportement de cette bulle par rapport à l'arc en modifiant notamment l'énergie injectée, la distance inter-électrode utilisée ou encore la nature du fluide employé ; et une étude numérique où un modèle diphasique 2D a été mis en œuvre sous Ansys Fluent pour simuler la création et le développement de cette phase gazeuse au sein d'une phase liquide. La complémentarité de ces deux études permet de témoigner de la présence de certains mécanismes comme ceux de la formation de bulles ou de cycles d'expansion et d'effondrement, gouvernés par des phénomènes de chauffage, d'évaporation ou électrothermiques. L'expérience mise en place se compose d'un réacteur hermétique en aluminium où l'arc électrique est amorcé par un fil fusible entre deux électrodes dans un liquide : eau ou huile. Des hublots permettent la visualisation par caméra rapide de l'espace inter électrode, et donc de l'arc et de la bulle de gaz qu'il engendre. Les caractéristiques courant et tension de l'arc électrique sont suivies dans le temps. Un capteur de pression dans le volume d'air situé au-dessus du liquide contrôle l'onde de pression générée par la décharge. Les résultats expérimentaux sont traités sous Matlab et permettent de conforter le modèle numérique mis en place. Le code utilise les équations de Navier-Stokes pour décrire les deux phases du fluide via la méthode Volume-Of-Fluids (VOF). A ces développements a aussi été intégré un modèle pour prendre en compte le transfert d'une phase de fluide vers une autre. Pour nos conditions de températures élevées, ce modèle a dû être adapté via le coefficient d'intensité de transfert de masse, qui est décrit en fonction de la température et de la proportion de phase dans une cellule. Les résultats de simulation issus de ce modèle permettent d'appuyer les observations expérimentales, et de poser les bases d'une étude sur la formation et le comportement de la phase gazeuse produite par le passage d'un arc électrique dans un liquide. / The study of electrical arcs in liquids begins in XXth century with the first oil circuit breaker and the use of welding/cutting processes on ship hulls in full water. These studies have been neglected for about 60 years, until the emergence of new applications such as the manufacture of nanostructures (for electrical engineering, medicine, etc.), electrical arc fracturing or different environmental applications (depollution, sterilization, gasification). In these applications different times and energies scales are involved for the discharge characteristics. Despite these differences, in all configurations a spherical gaseous medium dues to the current carrying path in the liquid exists. However, this gaseous phase is not much studied in the literature, particularly for an energy discharges of the order of kilojoule applied during 10ms. The goal of the thesis was to improve the understanding and to interpret the formation and the dynamic of the gas bubble created by this arc by varying the conditions. The work follows two ways: an experimental study to analyze the behavior of the bubble depending on the arc characteristics as the energy injected, the distance between the electrodes or the nature of the fluid; And a numerical study, where a 2D diphasic model has been implemented under Ansys Fluent to simulate the creation and the expansion of this gaseous phase in a liquid. The complementarity of these two approaches allows complementarities and interpretations. The experiment set up is composed by a closed aluminum reactor, where the electric arc is established in a liquid (water or oil) by a fusible wire between two electrodes. Windows allows to visualize by a speed camera the inter-electrode space, and so the arc and the gas bubble created. The current and voltage characteristics of the electric arc are recorded over time. A pressure sensor located in the volume of air above the liquid controls the pressure variations. The experimental results are treated through Matlab software and allow corroborating the numerical model developments. The code uses the Navier-Stokes equations to describe the two phases of the fluid via the Volume-Of-Fluids (VOF) method. Specifics developments have also been integrated to take into account the phase transfer at the gas/liquid interface adapting the mass transfer intensity coefficient. This coefficient is described as a function of the temperature and of the proportion of phase in a cell. The simulation results from the model support the experimental observations and build the foundations for a study on the behavior of the gaseous phase produced by the passage of an electric arc in a liquid.

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Pour répondre à des questions biologiques émergentes, l’IRM 3D in vivo est une approche de choix, mais elle souffre principalement d’une faible résolution temporelle en raison d’une faible sensibilité. Par ailleurs, l’IRM gagnerait à une meilleure sensibilité aux agents de contrastes exogènes. Il est proposé ici des développements en IRM du petit animal permettant de réduire considérablement la durée d’acquisition des images à trois dimensions chez la souris, ou la détection de très faibles quantités d’agents de contraste. Ces développements reposent sur la manipulation de l’espace-k (espace des données acquises). La première partie de ce travail a reposé sur la mise en place d’une méthode d’acquisition rapide de l’imagerie 3D permettant de conserver la qualité de l’image. Le «keyhole» 3D a été la technique choisie pour accéder à une résolution temporelle très élevée. Ainsi, le temps d’acquisition en imagerie ciné 3D cardiaque, chez la souris, a été réduit par un facteur 4 tout en conservant la qualité de l’image (SSB) et les informations extraites. Le «keyhole» 3D est aussi une méthode favorable à la mesure de prise de contraste. La biodistribution d’agent de contraste, peut être suivie en imagerie 3D à contrastes T1 et T2* dans le corps entier de la souris en quasi temps réel. La manipulation de l’espace-k permet aussi d’améliorer la qualité de l’image en réalisant une imagerie très sensible au contraste T2*. Pour cela, la correction de mouvements intrinsèques, comme ceux issus de la respiration au niveau de l’abdomen, générant un effet de perte de résolution spatiale, est indispensable. L’utilisation d’un écho navigateur permettant de détecter et de supprimer tous les signaux indésirables apporte une amélioration nette de la qualité d’image. Le seuil de détection de l’agent de contraste testé est d’ailleurs inférieur à 100 picomole de fer par kilogramme dans l’abdomen de souris. L’utilisation des propriétés de l’espace-k montre à quel point la qualité de l’image peut être améliorée et adaptée à l’information souhaitée. C’est un moyen peu couteux et efficace pour rendre l’imagerie par résonance magnétique encore plus performante en terme de résolution spatiale et de résolution temporelle. / In vivo 3D MRI is a powerful method which can be used to answer emerging biological issues. However, low temporal resolution due to intrinsic low sensitivity is one of its main drawbacks. Similarly, breakthroughs are needed to detect by MRI low-concentrated contrast agents used for molecular imaging. In this work, several methodology developments in small animals are proposed to greatly reduce acquisition times of 3D MRI and to increase contrast sensitivity to T2* agents. Both achievements were performed through the manipulation of the k-space, i.e the acquired data space in a retrospective approach. To achieve very high temporal resolution a 3D keyhole technique was chosen. This allowed the acquisition time in cardiac 3D-cine imaging in mice to be reduced by a factor 4. Image quality (signal-to-noise ratio) and the extracted functional data were preserved. Interestingly, 3D keyhole imaging also allowed the evaluation of T1 and T2* contrast enhancement and biodistribution in real time in the whole mouse body. In the last part of the work, the goal was to generate highly T2*-sensitive 3D images in mouse abdomen to detect diluted iron-oxide-based contrast agents. The use of a navigator echo enabled efficient motion correction and detection threshold of less than 100 picomol iron per kilogram. The results are discussed in a general frame of future applications and development of fast and highly-resolved 3D imaging.

Using a forensic imager to produce a copy of the storage is a common practice. Due to the large volumes of the modern disks, the imaging may impose severe time overhead which ultimately delays the investigation process. We proposed automated disk analysis techniques that precisely identify regions on the disk that contain data. We also developed a high performance imager that produces AFFv3 images at rates exceeding 300MB/s. Using multiple disk analysis strategies we can analyze a disk within a few minutes and yet reduce the imaging time of by many hours. Partial AFFv3 images produced by our imager can be analyzed by existing digital forensics tools, which makes our approach to be easily incorporated into the workflow of practicing forensics investigators. The proposed approach renders feasible in the forensic environments where the time is critical constraint, as it provides significant performance boost, which facilitates faster investigation turnaround times and reduces case backlogs.

Depuis la fin des années 80, les plasmas poussiéreux sont l’objet d’un grand nombre d’études. Plusieurs domaines de la physique des plasmas sont confrontés à la présence de ces particules: en astrophysique, dans les procédés de dépôt ou de gravure, dans les plasmas de fusion thermonucléaire contrôlée. Les plasmas poussiéreux ont très peu été étudiés dans des décharges micro-onde basse pression. Il y a une quinzaine d’années encore, il était admis que les probabilités de recombinaisons d’espèces réactives en volume étaient négligeables à cause de la faible densité du gaz. Au LAPLACE, des poussières incandescentes sont observées en plasma RCER d’acétylène. La présente étude a pour objectif d’apporter des éléments de réponses sur les mécanismes liés à la formation, au transport et au chauffage de ces poussières. Ce document présente les résultats obtenus durant ces 4 années de thèse. Le chapitre 1 introduit brièvement l’émergence de la thématique des plasmas poussiéreux, ainsi que certains aspects théoriques importants des décharges multipolaires. Le chapitre 2 détaille le dispositif expérimental ainsi que les différents diagnostiques utilisés durant cette étude: sonde de Langmuir, sonde de Mach, sonde de flux aux parois et imagerie rapide. Le chapitre 3 présente en détail les mécanismes de chargement et de chauffage des poussières. Dans cette partie, des mesures expérimentales ainsi qu’un modèle sont couplés afin d’expliquer l’incandescence et d’estimer la charge des particules. Le chapitre 4 décrit la caractérisation du transport des poussières dans une plasma d’acétylène par imagerie rapide. Dans ce chapitre, nous discutons des forces pouvant être responsables de ce transport. Enfin, le chapitre 5 passe en revue les résultats obtenus sur l’interaction plasma surface, à l’aide d’analyses ex-situ ainsi que des mesures de sondes de flux aux parois. / Since the late 1980s, dusty plasmas have been the subject of a large number of studies. Several fields of plasma physics are confronted with the presence of these particles: astrophysics, deposition or etching processes, or controlled thermonuclear fusion plasmas. However, few dusty plasma studies have been reported in low pressure microwave discharges. Fifteen years ago, it was accepted that dust particles cannot be formed in the plasma volume, due to the low probability of recombining reactive species, because of the low density of the gas. At LAPLACE, incandescent dusts are observed in RECR acetylene plasma. The present study aims to provide some answers on the mechanisms related to the formation, transportation and heating of dust particles. This document presents the results obtained during these four years of theses. Chapter 1 briefly introduces the emergence of the topic of dusty plasmas, as well as some important theoretical aspects of multipolar discharges. Chapter 2 details the experimental setup and the different diagnostics used during this study: Langmuir probe, Mach probe, wall probe current and rapid imaging. Chapter 3 details the mechanisms for charging and heating dust. In this part, experimental measurements and a model are coupled to explain the incandescence and to estimate the particles charges. Chapter 4 describes the characterisation of dust transport in acetylene plasma by rapid imaging. In this chapter, we discuss the forces that can be responsible for this transport. Finally, Chapter 5 reviews the results obtained on the plasma-surface interaction, using ex-situ analyzes as well as measurements of wall probe currents.

L’ablation laser dans l’air à la pression atmosphérique est souvent appliquée dans l’industrie, l’analyse chimique, la chirurgie, … Pour un développement plus approfondi des technologies laser basées sur l’effet d’ablation, il est nécessaire de mieux comprendre les phénomènes à l’origine de l’interaction laser-matière. Lors d’un impact du faisceau laser sur la surface d’un matériau, une plume plasma se forme au dessus de la cible. Ce plasma contient des électrons, des atomes et des ions du matériau évaporé, ainsi que du gaz ambiant, s’il est présent. Lors de l’impulsion laser, cette plume absorbe une grande partie d’énergie du faisceau laser, réduisant ainsi la quantité du rayonnement laser qui arrive à la surface de la cible. Les dimensions, ainsi que les paramètres de cette plume plasma évoluent très rapidement avec le temps. L’étude de la dynamique et des paramètres de cette plume est très importante, parce qu’ils influent sur tous les processus physiques ayant lieu à la surface du matériau traité. Nous avons étudié l’expansion de la plume plasma formée lors de l’ablation des échantillons métalliques (Al, Ti, Fe) par faisceau laser Nd :YAG nanoseconde (durée d’impulsion : 5.1 ns, longueur d’onde : 1064 nm, irradiance de l’ordre de grandeur de GW/cm2) dans l’air à la pression atmosphérique en utilisant la technique d’imagerie rapide. Cette technique nous a permis d’observer l’évolution spatio-temporelle de la plume au début de son expansion. Les résultats obtenus indiquent que la plume d’ablation laser a une structure : deux régions ont été distinguées – le cœur et la périphérie de la plume. La dynamique de ces deux régions de la plume a été étudiée et les vitesses de leur expansion ont été déterminées. En plus, nous avons examiné l’influence de l’irradiance laser, ainsi que l’influence de la composition de la cible sur la dynamique de la plume. D’autre part, nous avons développé des modèles numériques sous COMSOL Multiphysics pour simuler le processus d’ablation laser. Un modèle thermique a été utilisé pour simuler l’interaction laser – cible. Les résultats de ce modèle ont été employés comme conditions à la limite du modèle hydrodynamique, utilisé pour simuler l’expansion de la plume du plasma dans l’air ambiant. Deux approches ont été proposées : approche microscopique et macroscopique. Les résultats de simulation basée sur l’approche macroscopique donnent l’évolution temporelle et distribution spatiale (1D) des paramètres de la plume : masse volumique, vitesse, pression. / Laser ablation in the air at atmospheric pressure is nowadays frequently applied in industry, chemical analysis, surgery… For a further development of laser ablation based technologies, it is necessary to better understand the laser – matter interaction. During the impact of a laser pulse on the surface of the treated material, a plasma plume forms above the target surface. This plume contains particles (electrons, ions, atoms) of ablated matter, as well as of ambient gas, if present. During the laser pulse, this plume absorbs a large amount of the laser beam energy, thus reducing the quantity of the laser radiation arriving to the target surface. Dimensions, as well as parameters of this plasma plume evolve very quickly in time. Study of the plasma plume’s dynamics and parameters is very important, since they influence all the physical processes occurring at the surface of the treated material. In this work, we have investigated the expansion of the plasma plume formed during the laser ablation of metallic targets (Al, Ti, Fe) by a Nd:YAG laser beam (wavelength 1064 nm, pulse duration 5.1 ns and irradiance of the order of GW/cm2) in the air at atmospheric pressure using fast imaging technique. The obtained results show that laser ablation plume has a certain structure: two regions have been distinguished – the core and the periphery of the plume. Dynamics of these two plume regions has been studied and expansion velocities have been determined. In addition, we have examined the influence of the laser irradiance, as well as of the target composition on the plume dynamics. On the other hand, we have developed numerical models in COMSOL Multiphysics in order to simulate laser ablation process. A thermal model has been used to simulate the laser – target interaction. The results obtained from this model have been employed as boundary conditions in the hydrodynamic model, used to simulate plasma plume expansion in the ambient air. Two approaches have been proposed: microscopic and macroscopic approach. The results obtained by the simulation based on macroscopic approach give temporal evolution and spatial distribution (1D) of plume parameters: density, velocity and pressure.