Pneumatic tourniquets are widely used in surgery of the extremities to occlude the vessels of the limb, thereby providing a bloodless field for dissection so that the surgeon may operate more quickly and accurately. Over-pressurization of the tourniquet cuff may lead to postoperative complications such as temporary or permanent paralysis of the limb. This motivated the development of adaptive tourniquet systems which could regulate the tourniquet pressure just above the limb occlusion pressure (LOP), or the minimum tourniquet pressure required to prevent blood flow past the cuff for a given duration. Previous adaptive tourniquet systems suffered from several problems which limited their practical utility in the operating room. This thesis describes the adaptation of oscillometry, a technique widely used in the noninvasive estimation of blood pressure, to the estimation of LOP in the surgical environment for application in a clinically practical adaptive tourniquet system. Improved oscillometric LOP estimation performance was obtained through the development of a filter for increasing the signal-to-noise ratio of the oscillometric pulses during periods of limb manipulation, the development of a heuristic real-time pattern recognition algorithm for extracting oscillometric pulses from signal data corrupted by limb movements, and the development of a new method for rapidly estimating the LOP which needs only one-third of the signal data required by a widely-used oscillometric approach to produce an estimate of comparable accuracy. In addition to these contributions, a new tourniquet cuff was developed which achieves an improved fit to the limb, thereby enhancing performance and reliability over that obtained from conventional tourniquets as both an oscillometric occlusion sensor and as a limb-occluding device. An adaptive tourniquet system which integrated these improvements was developed and used in a clinical study involving four orthopaedic surgeons and 16 patients. Clinical trials of the latest system version in which circumstances permitted the use of adaptive control showed that the average limb-applied pressure was reduced by 35%, or from the conventional standard of 250 mm Hg to 162 mm Hg, in the upper limb surgeries, and by 38%, or from the conventional standard of 300 mm Hg to 187 mm Hg, in the lower limb surgeries. These significant reductions in the pressure indicate the potential effectiveness of adaptive tourniquet control and improved cuff design on reducing the risk of patient injuries from excessive tissue compression. Furthermore, unlike all previous implementations, this system is currently being evaluated on a routine basis in orthopaedic surgical procedures performed at Vancouver General Hospital. / Applied Science, Faculty of / Electrical and Computer Engineering, Department of / Graduate

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The heart and microvasculature have characteristics of a complex adaptive system. Extreme challenges faced by these organ systems cause structural changes which lead to global adaptation. To assess the impact of myocardial interstitial edema on the mechanical properties of the left ventricle and the myocardial interstitium, we induced acute and chronic interstitial edema in dogs. With chronic edema, the primary form of collagen changed from type I to III and left ventricular chamber compliance significantly increased. The resulting functional adaptation allows the chronically edematous heart to maintain left ventricular chamber compliance when challenged with acute edema, thus, preserving cardiac function over a wide range of interstitial fluid pressures. To asses the effect of microvascular occlusions, we reintroduced the Pallid bat wing model and developed a novel mathematical model. We hypothesized that microvessels can switch from predominantly pressure-mediated to shear-mediated responses to ensure dilation during occlusions. Arterioles of unanesthetized Pallid bats were temporarily occluded upstream (n=8) and parallel (n=4) to vessels of interest (20-65 mm). In both cases, the vessels of interest rapidly dilated (36+24 %, 37+33 %), illustrating that they responded appropriately to either decreased pressure or increased shear stress. The model not only reproduced this switching behavior, but reveals its origin as the nonlinear shear-pressure-radius relationship. The properties of the heart and microvasculature were extended to characterize a “Research-Intensive Community” (RIC) model, to provide a feasible solution consistent with the Boyer Commission, to create a sustainable physiology research program. We developed and implemented the model with the aim of aligning diverse goals of participants while simultaneously optimizing research productivity. While the model radically increases the number of undergraduate students supported by a single faculty member, the inherent resilience and scalability of this complex adaptive system enables it to expand without formal institutionalization.

En raison des naturelle, non-intrusive, facilement percevable caractéristiques, et une large diffusive applicabilité pour la criminalistique et de la sécurité, reconnaissance faciale basée sur la machine a reçu beaucoup d’attention de la communauté biométrie au cours des trois dernières décennies. Par rapport à la traditionnelle reconnaissance faciale basée sur le visage 2D, la reconnaissance faciale basé sur la forme 3D est plus stable aux variations d’éclairage; petite changements de tête pose, et variant cosmétiques pour le visage. Cependant, le visage 3D numérise capturé dans des conditions non-contraintes peut conduire à des difficultés diverses, comme des déformations non rigides provoquées par la variant expressions, les données manquantes en raison de l’auto-occlusion et des occlusions externes, ainsi que des données de faible qualité en raison de certaines imperfections de la technologie de numérisation. Pour régler ces difficultés et d’améliorer les applications du monde réel, dans cette thèse, nous proposons deux approches de 3D reconnaissance faciale: l’un se concentre sur le handling de divers changements d’expression, l’autre peut reconnaître les gens à la situation de présence d’un grand les expressions facial, des occlusions et des grands pose divers. En outre, nous fournissons une surface prouvable et pratique algorithme de surface maillage pour l’amélioration de la qualité de données. Pour faire face aux problème d’expression, nous supposons que la variabilité des formes de intra-expression/inter-expression de la faciale local région différent (e. g., nez, yeux) est différent, et a donc une importance niveau différente. Sur la base de cette hypothèse, nous concevons une stratégie d’apprentissage pour découvrir l’importance de la quantification de régions faciales locales en fonction de leur énergie discriminant. Pour une description du visage, nous proposons un nouveau descripteur pour coder la microstructure du multi- canal d’information normale du visage dans multiples échelles, à savoir, Multi-Scale and Multi-Component Local Normal Patterns (MSMC-LNP). On peut globalement décrire les changements de forme locale de 3D surfaces faciales par un ensemble d’histogrammes LNP y compris les indices globaux et locaux. Pour le visage correspondant, Weighted Sparse Representation-based Classifier (W-SRC) est formulée sur la base de l’importance de la quantification appris et les histogrammes LNP. L’approche proposée est évaluée sur quatre bases de données: le FRGC v2. 0, Bosphore, BU- 3DFE et 3D -TEC, y compris les scans du visage en présence de diverses expressions et des unités d’action, ou de plusieurs expressions prototypiques avec des intensités différentes, ou des variations d’expression du visage combinée avec de fortes similitudes faciales (c.à.d. jumeaux identiques). Résultats expérimentaux étendus montrent que l’approche de reconnaissance de 3D visage proposé avec l’utilisation de descripteurs discriminants du visage peut régler les variations d’expression et d’effectuer avec assez de précision sur toutes les bases de données, et a ainsi une bonne capacité de généralisation. Pour faire face à l’expression et problème des données manquantes dans un cadre uniforme, nous proposons une approche sur le sans-enregistrement maillage-basé reconnaissance du 3D visage basé sur un nouveau local descripteur de la forme du visage et un correspondance processus d’clairsemée représentation du visage basée multi- tâche. [...] / Due to the natural, non-intrusive, easily collectible, widespread applicability, machine-based face recognition has received significant attention from the biometrics community over the past three decades. Compared with traditional appearance-based (2D) face recognition, shape-based (3D) face recognition is more stable to illumination variations, small head pose changes, and varying facial cosmetics. However, 3D face scans captured in unconstrained conditions may lead to various difficulties, such as non-rigid deformations caused by varying expressions, data missing due to self occlusions and external occlusions, as well as low-quality data as a result of some imperfections in the scanning technology. In order to deal with those difficulties and to be useful in real-world applications, in this thesis, we propose two 3D face recognition approaches: one is focusing on handling various expression changes, while the other one can recognize people in the presence of large facial expressions, occlusions and large pose various. In addition, we provide a provable and practical surface meshing algorithm for data-quality improvement. To deal with expression issue, we assume that different local facial region (e.g. nose, eyes) has different intra-expression/inter-expression shape variability, and thus has different importance. Based on this assumption, we design a learning strategy to find out the quantification importance of local facial regions in terms of their discriminating power. For facial description, we propose a novel shape descriptor by encoding the micro-structure of multi-channel facial normal information in multiple scales, namely, Multi-Scale and Multi-Component Local Normal Patterns (MSMC-LNP). It can comprehensively describe the local shape changes of 3D facial surfaces by a set of LNP histograms including both global and local cues. For face matching, Weighted Sparse Representation-based Classifier (W-SRC) is formulated based on the learned quantification importance and the LNP histograms. The proposed approach is evaluated on four databases: the FRGC v2.0, Bosphorus, BU-3DFE and 3D-TEC, including face scans in the presence of diverse expressions and action units, or several prototypical expressions with different intensities, or facial expression variations combine with strong facial similarities (i.e. identical twins). Extensive experimental results show that the proposed 3D face recognition approach with the use of discriminative facial descriptors can be able to deal with expression variations and perform quite accurately over all databases, and thereby has a good generalization ability. To deal with expression and data missing issues in an uniform framework, we propose a mesh-based registration free 3D face recognition approach based on a novel local facial shape descriptor and a multi-task sparse representation-based face matching process. [...]

De nos jours, les maladies cardiaques représentent la première cause de décès dans le monde. Parmi ces maladies, les occlusions coronariennes occupent un rôle important. Aussi, 10 à 15 % de la population souffre de calculs urinaires et ces pourcentages augmentent d'année en année dans les pays industrialisés. Considérant ces données et le fait que les outils médicaux actuels ne permettent pas de répondre à l'ensemble des besoins exigés par ces domaines, il existe une opportunité intéressante pour le développement d'appareils mieux adaptés. Le présent mémoire a pour but de démontrer le potentiel technologique d'un générateur miniaturisé d'ondes mécaniques comme futur dispositif médical dans les domaines de la lithotritie intracorporelle et de la cardiologie d'intervention. Le générateur proposé exploite les ondes acoustiques (profil de pression) pour briser les calculs urinaires ou traverser les occlusions coronariennes. Le concept présenté vise à être plus efficace, plus sécuritaire et moins dispendieux que les appareils actuels. Pour parvenir à générer le profil de pression désiré à l'extrémité d'une longue et mince tige, un processus d'amplification exploitant la focalisation des ondes dans un solide et la dispersion dans un guide d'ondes est utilisé. Ce processus nécessite une étape préliminaire de calibration qui permet de caractériser les propriétés acoustiques des milieux de propagation (concentrateur et guide dispersif). Tirant profit du retournement temporel, il est ensuite possible de concentrer spatialement et de compresser temporellement le signal de calibration pour former le profil de pression désiré. Le gain combiné de ces méthodes permettent de respecter les requis fixés pour l'appareil. Le prototype fabriqué est composé d'une source acoustique convergente, d'un guide d'ondes dispersif ainsi que d'un réducteur de section. La source acoustique comprend sept transducteurs piézoélectriques couplés sur la surface extérieure d'un concentrateur en aluminium 6061-T6 de forme semi-sphérique. Chaque transducteur est identique et possède une fréquence centrale de 695 kHz. Une tige de 3.2 mm de diamètre et 1.8 m du même alliage est fixée au concentrateur. Cette dernière représente le guide dispersif. Enfin, un réducteur de section permet de réduire le diamètre d'émission à 1.6 mm. Les performances du prototype ont été caractérisées en mesurant le profil de pression émis dans l'eau à l'extrémité du réducteur de section. La forme du signal mesurée correspond bien à celle désirée, c'est-à-dire un pulse gaussien à la fréquence de résonance des transducteurs. Des pics de pression à 160 bar et -100 bar ont aussi été obtenus dans l'eau.De plus, des essais sur une pierre artificielle ont permis de mettre en évidence un taux de pénétration d'environ 1 mm/min, et ce, pour une fréquence de tirs de 5 Hz. Une forme de cavitation a aussi pu être observée. Malgré le fait qu'il reste plusieurs défis à relever avant de présenter un appareil fonctionnel, les résultats obtenus sont encourageants et confirment le potentiel associé à la technologie développée pour les domaines ciblés.

Percutaneous coronary revascularization of chronic total occlusions (CTOs) is difficult due to the presence of a hard proximal fibrous cap and lack of image guidance. The use of x-ray fluoroscopy alone makes it difficult to identify vessel boundaries and occlusive constituents which would aid the process of revascularization. It also can be difficult to keep a guidewire intraluminal without puncturing the vessel wall. Although several imaging modalities are being developed, a technique for measuring the stiffness of occlusions would facilitate revascularization by helping the process of guidewire selection and placement. In this study, a technique known as static magnetic resonance elastography is explored as a method of determining the compliance of CTOs. A finite element simulation was used to determine the response of an artery to deformation, and displacement images were obtained from an artery phantom using a stimulated echo MR imaging pulse sequence and a pneumatic compression system.

Percutaneous coronary revascularization of chronic total occlusions (CTOs) is difficult due to the presence of a hard proximal fibrous cap and lack of image guidance. The use of x-ray fluoroscopy alone makes it difficult to identify vessel boundaries and occlusive constituents which would aid the process of revascularization. It also can be difficult to keep a guidewire intraluminal without puncturing the vessel wall. Although several imaging modalities are being developed, a technique for measuring the stiffness of occlusions would facilitate revascularization by helping the process of guidewire selection and placement. In this study, a technique known as static magnetic resonance elastography is explored as a method of determining the compliance of CTOs. A finite element simulation was used to determine the response of an artery to deformation, and displacement images were obtained from an artery phantom using a stimulated echo MR imaging pulse sequence and a pneumatic compression system.

Ce manuscrit traite de trois problématiques physiologiques qui mettent en jeu des écoulements de liquide, et parfois des interactions fluide-structure. Nous épurons chaque situation pour en extraire un montage expérimental modèle conservant ses composantes physiques et mécaniques.<br /><br />Les occlusions pulmonaires sont des lentilles de liquides qui peuvent être formées grâce à l'instabilité capillaire dans des tubes. Nous montrons que cette instabilité est affectée, et parfois supprimée, par la gravité, même aux faibles nombres de Bond : seules les plus petites bronchioles sont susceptibles de développer l'instabilité de Plateau-Rayleigh. Les étapes finales de la formation de la lentille liquide font intervenir une singularité spécifique à la géométrie tubulaire, que nous traitons par des modèles en loi d'échelle.<br /><br />L'entropion est un enroulement de la paupière qui provoque un contact indésirable entre les cils et le globe oculaire. Nous étudions l'influence de l'élasticité de la paupière sur l'étalement du fluide lacrymal, grâce à un modèle de type Landau-Levich. Nous examinons ensuite la possibilité du retournement de la paupière lors de la fermeture de l'œil. <br /><br />Un anévrisme de l'aorte abdominale (AAA) est une zone localement dilatée de la plus grosse artère du corps humain. Nous étudions expérimentalement, numériquement et théoriquement la réponse d'un tuyau élastique à un écoulement pulsé comme l'est celui du cœur. Sur l'échelle de temps du cycle cardiaque, nous mettons en lumière deux régimes possibles de déformation en fonction de la sollicitation : la membrane peut soit se dilater de façon synchrone à chaque cycle, soit propager des ondes de déformation. Le seuil de transition est explicité d'une part grâce à un modèle d'ondes élastiques, et d'autre part en considérant le temps nécessaire pour atteindre l'équilibre. Sur des échelles de temps très longues en comparaison du cycle cardiaque, un modèle moyen de type windkessel permet de rendre compte d'un débit critique au delà duquel le tube se dilate et forme un anévrisme . Les expériences numériques permettent de coupler les ondes avec le développement d'un anévrisme, ouvrant des pistes prometteuses en ce qui concerne la localisation préférentielle d'un anévrisme.