Titel Promotor Affiliaties "Korte inhoud" "Gecombineerde model-gebaseerde registratie en segmentatie strategieën voor geïntegreerde kwantitatieve analyse van cardiale MRI sequenties" "Frederik Maes" "Beeld- en Spraakverwerking (PSI)" "Cardiale magnetische resonantie (MR) beeldvorming is een state-of-the-art methode voor niet-invasieve visualisatie en functionele analyse van het hart. Naast kwalitatieve analyse biedt deze techniek ook de mogelijkheid voor kwantitatieve analyses. Voorbeelden hiervan zijn cine MR beelden voor de bepaling van cardiale contractie en T1 mapping waarbij het myocardiale weefsel kwantitatief gekarakteriseerd wordt. De verschillende beelden zorgen voor een grote hoeveelheid data en bevatten complementaire informatie om de functie en structuur van het hart te beoordelen, maar worden typisch apart geanalyseerd wat manuele analyse omslachtig en tijdrovend maakt. Gezamenlijke analyse wordt echter bemoeilijkt door beweging tussen de beelden, verschillen in anatomisch aanzicht en verschillen in hartfase. Daarom willen we in dit werk de (semi)-geautomatiseerde, geïntegreerde analyse van multi-parametrische cardiale MR beelden verbeteren door model-gebaseerde technieken te ontwikkelen die gebruik maken van toepassingsspecifieke voorkennis over MR acquisitie en vorm van het hart. Deze technieken zullen uiteindelijk de nauwkeurigheid van de geëxtraheerde kwantitatieve cardiale parameters verhogen en daarom bijdragen tot een betere en efficiëntere diagnose. Specifieke bijdragen zijn: (1) model-gebaseerde bewegingscorrectie in cardiale T1 en extracellulair volume (ECV) mapping, (2) T1 kwantificatie met convolutionele neurale netwerken (CNNs), (3) integratie van 2D korte en lange as beelden voor 3D segmentatie van het linkerventrikel (LV) en (4) vorm-gebaseerde myocardiale segmentatie door het schatten van vorm en pose parameters.Een eerste toepassing behandelt bewegingscorrectie in cardiale T1 en ECV mapping. We introduceren een nieuwe niet-rigide registratiemethode die datagedreven initialisatie combineert met een model-gebaseerde registratietechniek. Onze methode gebruikt een model voor T1 relaxatie om directe registratie tussen beelden met sterk variërend contrast te vermijden. De geschatte parameters van het model worden ook gebruikt voor de registratie tussen T1 mappen opgenomen voor en na contrastinjectie om een bewegingsvrije ECV map te bekomen. De uitgevoerde experimenten toonden de robuustheid van de ontwikkelde techniek.In een tweede toepassing gebruiken we CNNs voor automatische myocardiale T1 kwantificatie. We trainen netwerken voor zowel T1 map regressie als voor segmentatie. Onze experimenten tonen aan dat het voorgestelde CNN, in tegenstelling tot de gebruikelijke pixelgewijze technieken, spatiale informatie van naburige pixels gebruikt om een T1 map te genereren. We vonden bovendien dat trainen op volledige T1 mappen de nauwkeurigheid van myocardiale T1 waarden verbetert. Voor myocardiale segmentatie toonden we aan dat het gelijktijdig segmenteren van alle T1-gewogen beelden betere resultaten behaalt dan de segmentatie van één T1-gewogen beeld of van de T1 map zelf. Verder stellen we een segmentatiemethode voor waarbij aparte myocardiale segmenten worden geschat om directe regionale kwantificatie mogelijk te maken en vonden dat dit de globale myocardiale segmentatie niet verslechtert.Een derde toepassing integreert 2D korte en lange as cine beelden om een 3D segmentatie van het LV te bekomen. We ontwikkelden een CNN dat een 3D segmentatie voorspelt op basis van een variabel aantal 2D beelden. In plaats van de gebruikelijke horizontale en verticale lange as beelden gebruiken we een uitgebreide reeks van 12 radiaal opgenomen lange as beelden om het basale uiteinde van het LV beter weer te geven. Verder gebruikt het netwerk ook 3D beeldcoördinaten als zwakke voorkennis van vorm. We vonden dat het combineren van korte en lange as aanzichten de 3D LV segmentatie verbeterde en dat het toevoegen van beeldcoördinaten toelaat om de complexiteit van het netwerk substantieel te verminderen om dezelfde performantie te behouden.In een vierde toepassing ontwikkelden we een CNN om vorm en pose parameters van een onderliggend statistisch model van het myocardium in 2D cine korte as beelden te schatten. In tegenstelling tot de gebruikelijke semantische segmentatie zijn de geschatte vormcoëfficiënten rechtstreeks gekoppeld aan een georiënteerde landmark-gebaseerde voorstelling en laten ze op deze manier een directe bepaling van regionale vormeigenschappen toe. Net zoals de derde toepassing behandelt deze toepassing dus een belangrijke tekortkoming van een standaard CNN dat expliciete vormbeperkingen mist. Experimenten toonden aan dat een gelijktijdige semantische segmentatie de parameterschatting verbetert. Verder introduceerden we twee consistentiefuncties om de samenhang tussen de geschatte parameters en segmentatie expliciet op te leggen.De ontwikkelde toepassingen integreren verschillende beelden en modellen, wat zorgt voor een efficiënter gebruik van complementaire informatie. De beschreven hybriede voorstellingen laten bovendien toe om vorm, textuur en context te integreren. Onze experimenten toonden aan dat dit gebruik van complementaire informatie de performantie van registratie- en segmentatiemethoden significant kan verbeteren. " "Onderzoek naar de mechanismen van toxiciteit van de huidige vlamvertragers: naar nieuwe controle-assays en een betere registratie." "Ronny Blust, Steven Husson" "Systemisch Fysiologisch en Ecotoxicologisch Onderzoek (SPHERE)" "Dit project kadert in een onderzoeksopdracht tussen enerzijds UA en anderzijds IWT. UA levert aan IWT de onderzoeksresultaten genoemd in de titel van het project onder de voorwaarden zoals vastgelegd in voorliggend contract." "Mechanische ondersteuning van het rechter ventrikel voor pulmonale arteriële hypertensie. Het lage debiet concept." "Bart Meyns" "Respiratoire Aandoeningen en Thoraxheelkunde (BREATHE), Cardiale Heelkunde" "Pulmonale arteriële hypertensie (PAH) wordt veroorzaakt door een pathologische toename van de pulmonale vasculaire weerstand (PVR) en leidt uiteindelijk tot rechter ventrikel (RV) falen. Met de huidige therapie is de mortaliteit nog steeds 15% na 1 jaar en blijft de mediane overleving beperkt tot 5-6 jaar, met onvoldoende functionele verbetering bij de overlevenden. Bilaterale longtransplantatie (bLTx) blijft de enige curatieve behandeling. Helaas overleven weinig patiënten tot aan de transplantatie.RV falen werd tot voor kort beschouwd als een onvermijdbaar en finaal gevolg van PAH. We weten echter dat PAH geassocieerd RV falen mogelijks omkeerbaar is omwille van het algemeen goed herstel van het hart na bLTx. Daarom wordt het RV nu beschouwd als een mogelijk therapeutisch doel. Een medicamenteuze PAH-behandelingsstrategie die enerzijds de PVR verlaagt en anderzijds de RV-functie verbetert is moeilijk te ontwikkelen omwille van tegengestelde effecten op de verschillende celpopulaties van het hart en de longen. Chirurgische opties om het hartdebiet te verhogen en de RV-wandspanning te verlagen moeten daarom uitgewerkt worden. Atriale septostomie (AS) verlaagt de RV vullingsdrukken en verbetert de cardiale index maar heeft een procedurele mortaliteit tot 16% bij PAH-patiënten. Een rechter ventrikel assist device (RVAD) zou dezelfde voordelen kunnen leveren als een AS. De daling in arteriële zuurstof saturatie die geassocieerd wordt met AS, zou bovendien niet mogen optreden en het RV zou actief ondersteund worden.Met deze thesis wilden wij de mogelijke rol van een RVAD als nieuwe behandelingsstrategie voor PAH onderzoeken. Er stelden zich bij deze strategie 2 belangrijke problemen: 1) Het RV vertoont een hoge gevoeligheid voor nabelasting. Verhoogde pulmonale arteriële drukken (PAPs), veroorzaakt door het RVAD, kunnen leiden tot verdere dilatatie en falen van het RV. 2) Pulsatiele apparaten voor eindstadium RV falen bij PAH hebben vroeger vaak geresulteerd in intraparenchymale pulmonale bloedingen, hemoptoë en overlijden. Er wordt echter gevreesd dat ook apparaten met een hoog continu debiet kunnen leiden tot verhoogde PAPs en longletsels. Onze hypothese was dat kleinere apparaten die in staat zijn een lager debiet te genereren beter geschikt zouden zijn voor deze toepassing.Ons eerste doel (hoofdstuk 4) was om de uitvoerbaarheid van RV mechanische ondersteuning met een laag debiet te beoordelen en om de hemodynamische effecten van ondersteuning aan een laag versus een hoog debiet te beschrijven in een diermodel van acute RV druk overbelasting. Een Synergy Micro-Pump werd geïmplanteerd in zeven schapen. Het bloed werd van de rechter voorkamer naar de longarterie gepompt. Hemodynamische parameters en druk-volume curves werden geregistreerd in 1) baseline conditie, 2) na vernauwing van de longarterie en 3) na dichtsnoeren van de rechter kransslagader bij deze schapen met een vernauwde longarterie. RV mechanische ondersteuning verbeterde de arteriële bloeddruk en het hartdebiet maar de intrinsieke RV-contractiliteit werd niet beïnvloed. Het RV werd diastolisch ontladen maar met een gelijktijdige en RVAD-debiet afhankelijke stijging van de systolische nabelasting. Deze effecten waren het meest uitgesproken in het druk overladen RV zonder ischemische beschadiging. De lage debiet strategie vermeed een buitensporige stijging van de PAP, maar verbeterde de arteriële bloeddruk en het hartdebiet voldoende. Daarom werd het als voordelig beschouwd voor het nabelasting gevoelige RV. Ook omdat dit bescherming kan bieden tegen de ontwikkeling van longbloedingen en longoedeem, pleitten wij voor het gebruik van deze strategie bij het acute druk overladen RV (bijvoorbeeld in geval van een harttransplantatie, acute longletsels, acuut respiratoir disstress syndroom).RV mechanische ondersteuning is goed beschreven in geval van een plotse stijging van de RV-nabelasting (bijvoorbeeld na een harttransplantatie). In gevallen van chronische druk overbelasting (bijvoorbeeld PAH), is het zelden beschreven. In een tweede stap (hoofdstuk 5) wilden we daarom de hemodynamische effecten beoordelen van mechanische ondersteuning van het acute versus het chronische druk overladen RV. De longarterie werd vernauwd in 18 schapen. In de acute groep implanteerde we onmiddellijk een Synergy Micro-pump, zoals voorheen beschreven. In de chronische groep werd deze pomp 8 weken na de vernauwing geïmplanteerd. Hemodynamische parameters en druk-volume curves werden geregistreerd vóór en 15 minuten na de activatie van de pomp aan laag debiet. RV mechanische ondersteuning verbeterde significant de arteriële bloeddruk in beide groepen. Het hartdebiet verbeterde enkel in de acute groep. De intrinsieke RV-contractiliteit werd niet beïnvloed. De bijdrage van het RV aan het totale rechtszijdige hartdebiet was 54 ± 8% in de acute groep versus 10 ± 13% in de chronische groep (p" "Bepalen van de rol van de spier-pees interactie in de metabole kost tijdens lopen gebruikmakend van gecombineerde experimentele en computationele benadering" "Benedicte Vanwanseele" "Onderzoeksgroep Biomechanica van de Menselijke Beweging" "Hoewel de mens al duizenden jaren op twee voeten loopt, bestaat er nog steeds aanzienlijke variabiliteit in de manier waarop we lopen, oftewel ons voorkeurslooppatroon. Bovendien is er ook een behoorlijk verschil in de metabole energie die lopers verbruiken om aan een bepaalde, submaximale snelheid te lopen. Ondanks het grote aantal onderzoeken naar lopen, hebben we nauwelijks inzicht in de onderliggende mechanismen die de variabiliteit in het voorkeurslooppatroon en/of het metabole energieverbruik tijdens het lopen verklaren. De laatste decennia heeft onderzoek getracht de mechanica van het lopen te beschrijven en het metabole energieverbruik tijdens het lopen toe te schrijven aan specifieke biomechanische taken, zoals ondersteuning van het lichaamsgewicht, voortstuwing en het voorwaarts zwaaien van de benen. Hoewel deze biomechanische taken een waardevol inzicht verschaffen in waarom lopen metabole energie vergt, legt deze benadering nog niet uit waarom lopen zoveel metabole energie kost. Om een beter inzicht te krijgen in het energieverbruik van het hele lichaam tijdens het lopen, moeten we daarom kijken naar de weefsels die de energie verbruiken. De skeletspieren zijn de voornaamste energieverbruikers tijdens het lopen en hun energieverbruik wordt bepaald door de spierkracht, de duur van de activatie, de lengte, de snelheid en de frequentie van de activatie/deactivatie.Eerder onderzoek toonde reeds aan dat de mechanische efficiëntie tijdens lopen de maximale mechanische efficiëntie van verkortende skeletspieren overschrijdt, wat aantoont dat andere elastische weefsels, zoals pezen, deze mechanische efficiëntie van de skeletspieren verbeteren en derhalve helpen bij het verminderen van de metabole energie tijdens het lopen. Aangezien in het enkelgewricht ongeveer 2/3 van de totale positieve arbeid van de onderste ledematen tijdens de stand-fase geleverd wordt, worden de plantairflexoren tot de belangrijkste spieren tijdens het lopen gerekend. Bovendien is de triceps surae (de belangrijkste plantairflexor van de enkel), bestaande uit de gastrocnemius medialis, gastrocnemius lateralis en soleus, met het hielbeen verbonden via de lange en zeer elastische achillespees (in serie verbonden peesweefsel). Dit in serie verbonden peesweefsel slaat enerzijds mechanische energie op en geeft deze terug, en anderzijds is er de samenwerking met de triceps surae die ervoor zorgt dat de lengteveranderingen van de spiervezels ontkoppeld worden ten opzichte van de lengteveranderingen van de volledige triceps surae spier-pees eenheid. Vervolgens kan de triceps surae tijdens het lopen werken onder gunstige omstandigheden, d.w.z. dicht bij de optimale lengte van de spiervezel en bij relatief lage contractiesnelheden. Hoewel het duidelijk is dat de triceps surae spier-pees eenheid bijdraagt tot de totale metabole kost van het lopen is het precieze aandeel nog onbekend en weet men niet of de triceps surae spier-pees interactie het voorkeurslooppatroon van een bepaalde loper kan helpen verklaren.Het overkoepelende doel van dit doctoraat was het identificeren van het belang van de triceps surae spier-pees interactie op het metabole energieverbruik van het hele lichaam en het voorkeursbewegingspatroon tijdens het lopen. Na het effect van de triceps surae contractiesnelheid op het metabole energieverbruik van het lichaam te hebben nagegaan, hebben we onderzocht hoe twee verschillende variaties in looppatronen – verschillende zelfgekozen voetlandingspatronen en verschillende opgelegde stapfrequenties – de kinematica en krachtproductie van de triceps surae spier beïnvloeden, gebruik makend van een gecombineerde aanpak van experimenten en simulaties.Ons eerste doel was het kwantificeren van het effect van het verhogen van de contractiesnelheid van de triceps surae spiervezels op het metabole energieverbruik van het hele lichaam en de triceps surae spieractivatie. Hiervoor hebben we in studie 1 een nieuwe toepassing van een reeds bestaande onderzoeksmethode gebruikt om ons specifiek te richten op de triceps surae spier, die toeliet om de contractiesnelheid van de spiervezels te controleren, terwijl andere factoren met betrekking tot het metabole energieverbruik van een spier constant gehouden werden. Vijftien mannelijke deelnemers voerden in buiklig op een dynamometer gedurende 6 minuten cyclische plantairflexie contracties uit (~1/3s actief en ~2/3s rust) bij drie verschillende hoeksnelheden van de enkel: 1) isometrisch, dus bij hoeksnelheid nul, waarbij de enkelhoek constant bleef op 10° plantairflexie (PF), 2) isokinetisch met een relatief langzame, constante hoeksnelheid (30°/s) waarbij de enkel van 5° PF tot 15° PF roteerde en 3) isokinetisch met een relatief hoge hoeksnelheid (60°/s) waarbij de enkel van 0° PF tot 20° PF roteerde. In alle condities werd het gevraagde moment (25% van het maximale moment) en de frequentie (1 Hz) constant gehouden. De drie enkelhoeksnelheid condities werden gerandomiseerd en gedupliceerd in een gespiegelde volgorde, zodat er in totaal zes trials waren. Tijdens elke trial werd het metabole energieverbruik van het hele lichaam bepaald en werd de spieractiviteit van de triceps surae spier en de kinematica van de gastrocnemius medialis spiervezel gemeten. Zoals verwacht zorgde een toename van de enkelhoeksnelheid voor een sterke verhoging van de gastrocnemius medialis verkortingssnelheid en de mechanische arbeid (p < 0.01). Ondanks vergelijkbare gemiddelde en piekmomenten in het enkelgewricht en geen verschil in cyclusfrequentie of duty factor (tijd van actieve kracht productie/totale tijd cyclus), verhoogde een toename van de enkelhoeksnelheid de gemiddelde en piek triceps surae spieractiviteit. Bovendien leidde een verhoogde enkelhoeksnelheid ook tot een aanzienlijk verhoogd netto metabool energieverbruik van het hele lichaam (p < 0.01). Daarnaast vonden we dat de relatieve toename in spieractivatie bij snellere verkortingssnelheden significant groter was in gastrocnemius lateralis dan in de gastrocnemius medialis en de soleus. Deze eerste studie levert sterk bewijs dat het verhogen van de triceps surae contractiesnelheid en positieve mechanische arbeid resulteert in verhoogde triceps surae spieractivatie en een substantiële verhoging van het metabole energieverbruik van het hele lichaam. Bovendien toonden we aan dat de triceps surae activeringsstrategie afhangt van de taak. Wanneer we deze resultaten nu gaan extrapoleren naar lopen, suggereert deze eerste studie dat een optimale triceps surae spier-pees interactie, die ervoor zorgt dat er maar weinig mechanische arbeid door de triceps surae spier geleverd hoeft te worden, lopen metabool efficiënter maakt.Vervolgens onderzochten we in studie 2 of verschillende voetlandingspatronen, waarvan eerder is aangetoond dat ze de kinetiek en kinematica van enkel- en kniegewrichten veranderen, invloed hebben op de kinematica en krachtproductie van de gastrocnemius medialis. Negentien ervaren lopers, waarvan negen hiellanders en tien midden-/voorvoetlopers namen deel aan de studie. We registreerden gewrichtskinematica, kinetica, spieractivatie en in vivo gastrocnemius medialis echografiebeelden tijdens het lopen aan 10 en 14 km/u. Daarnaast gebruikten we dynamische simulaties, gestuurd door de gastrocnemius medialis spiervezel kinematica, om de triceps surae spierkrachten te schatten. Tijdens de standfase vertoonden hiellanders 40 tot 45% grotere gastrocnemius medialis spiervezel verkortingen (p = 0.02) en grotere gemiddelde verkortingssnelheden (p = 0.01). Deze verschillen kwamen vooral naar voren tijdens het eerste deel van de standfase. Gedurende een vergelijkbare periode in het begin van de standfase bleek de gastrocnemius medialis kleinere spierkrachten te genereren bij hiellanders in vergelijking met midden-/voorvoetlopers. In tegenstelling tot wat andere studies suggereerden, vertoonden verschillende voetlandingspatronen geen verschil in rek of terugslag van het in series verbonden elastisch weefsel (achillespees). Deze resultaten suggereren dat een potentiële toename in het metabole energieverbruik van de gastrocnemius medialis als gevolg van een hogere contractiesnelheid bij hiellanders wordt tenietgedaan door een lagere spierkracht van de gastrocnemius medialis.Op basis van de kinematica en krachtproductie van de gastrocnemius medialis veronderstelden wij dat het metabole energieverbruik in deze triceps surae spier niet verschillend zou zijn tussen voetlandingspatronen. Vervolgens hebben wij, gebruikmakend van een modelmatige benadering, het metabole energieverbruik van de gastrocnemius medialis, de andere triceps surae spieren en van het hele lichaam geschat om te beoordelen of verschillende zelfgekozen voetlandingspatronen resulteren in een verschillend energieverbruik in de triceps surae of het hele lichaam. Op basis van de spiertoestanden (kracht, lengte, snelheid, activatie en excitatie) verkregen uit dynamische optimalisatie, hebben we het metabole energieverbruik van de spieren geschat met behulp van vier verschillende op Hill-type spier gebaseerde energiemodellen. Noch het metabole energieverbruik van de gastrocnemius medialis, noch het metabole energieverbruik van de triceps surae (p > 0.35) verschilde tussen de zelfgekozen voetlandingspatronen, ongeacht het gebruikte energiemodel of de loopsnelheid. Bovendien was ook het geschatte metabole energieverbruik van het hele lichaam niet verschillend tussen de voetlandingspatronen (p > 0.14). In het algemeen toonde deze tweede studie aan dat, hoewel de kinematica en de krachtproductie van de gastrocnemius medialis verschillend zijn tussen middenvoet-/voorvoetlopers in vergelijking met hiellanders, het metabole energieverbruik van de triceps surae vergelijkbaar is. Dit ondersteunt het reeds bestaande bewijs dat verschillende zelfgekozen voetlandingspatronen metabool equivalent zijn.In onze derde studie onderzochten we het schoolvoorbeeld van zelfoptimalisatie: de voorkeursstapfrequentie. Ondanks de aanzienlijke variatie in de voorkeurs-stapfrequentie van lopers, wordt algemeen erkend dat de voorkeursstapfrequentie van een ervaren loper nauw overeenkomt met de optimale stapfrequentie, d.w.z. de frequentie met het laagste totale metabole energieverbruik. Een duidelijke verklaring waarom een bepaalde stapfrequentie samengaat met een minimaal energieverbruik ontbreekt echter nog. Het veranderen van iemands stapfrequentie verandert de kinematica en kinetica van enkel, knie en heup. Echter, elk gewricht wordt anders beïnvloed, mogelijk met tegenwerkende effecten tijdens de stand- en zwaaifase. Eerst hebben we een analyse op gewrichtsniveau uitgevoerd naar de effecten van het veranderen van de stapfrequentie, specifiek gericht op de stand- en zwaaifase. We verzamelden data over het metabole energieverbruik van het hele lichaam, de triceps surae spieractiviteit en de kinematica en kinetica van de enkel, knie en heup van zeventien ervaren lopers terwijl deze liepen aan vijf verschillende stapfrequenties (voorkeursfrequentie, voorkeursfrequentie ± 8% en voorkeursfrequentie ± 15%) aan 12 km/u. In overeenstemming met de zelfoptimalisatiehypothese volgde het metabole energieverbruik een U-vormige relatie, waarbij de voorkeursstapfrequentie overeenkwam met het laagste metabole energieverbruik (p < 0.01). Een verlaging van de stapfrequentie veroorzaakte een toename van het gemiddelde positieve enkel- en kniegewrichtsvermogen tijdens de standfase (p < 0.01), maar leidde tot een opmerkelijke afname van het gemiddelde positieve heupgewrichtsvermogen tijdens de zwaaifase (p < 0.01). In overeenstemming met het toegenomen gemiddelde positieve vermogen van het enkelgewricht, nam ook de gemiddelde soleus activatie tijdens de stand toe met afnemende stapfrequentie (p = 0.01). Bovendien nam bij toenemende stapfrequentie de duty factor toe, wat benadrukt dat lopers hun stapkinetiek aanpasten. Deze gewrichtsanalyse wijst erop dat de optimale stapfrequentie een afweging vertoont tussen het minimaliseren van de kosten van de standfase, die lijken toe te nemen met een afnemende stapfrequentie, zonder de kosten van de zwaaifase heel erg te gaan verhogen of de beschikbare tijd om de benodigde krachten te produceren te reduceren.Het veranderde gemiddelde positieve enkel- en kniegewrichtsvermogen bij andere stapfrequenties leidt waarschijnlijk tot veranderingen in de onderliggende triceps surae spier-pees eenheid. Vooral het toegenomen gemiddelde positieve enkel- en kniegewrichtsvermogen bij een lagere dan zelfgekozen stapfrequentie zal waarschijnlijk leiden tot een groter energieverbruik van de triceps surae tijdens de standfase. Om het effect van een verandering in stapfrequentie vanuit een triceps surae spierperspectief te onderzoeken, registreerden we kinematica van de soleus en gastrocnemius medialis spiervezels bij twaalf lopers, een subset van de deelnemers die onderdeel waren van de vierde studie. Opmerkelijk was dat de gemiddelde lengte van de spiervezels van de soleus en gastrocnemius medialis tijdens de standfase een omgekeerde U-vormige relatie vertoonde, waarbij de langste lengte van de spiervezels overeenkwam met de voorkeursfrequentie. Bovendien was de krachtproductie van de soleus significant hoger tijdens het lopen aan de laagste stapfrequentie (voorkeursfrequentie-15%) vergeleken met de voorkeursstapfrequentie. Deze resultaten suggereren dat de optimale stapfrequentie (gedeeltelijk) verklaard kan worden door gunstigere werkomstandigheden voor de triceps surae bij deze stapfrequentie. Vooral bij stapfrequenties lager dan de optimale frequentie wijzen de kortere spiervezellengtes en de grotere krachtproductie van de soleus op een verhoogd energieverbruik van de triceps surae spier.De gecombineerde experimentele en computationele benadering die tijdens dit doctoraat werd toegepast, benadrukt het belang van de triceps surae spier voor energie efficiënt lopen. We toonden aan dat het looppatroon (verschillende voetlandingspatronen en andere stapfrequenties) de kinematica en de krachtproductie van de triceps surae spier beïnvloedt. Meer specifiek vonden we bij hiellanders meer en snellere verkorting van de gastrocnemius medialis spiervezel, maar lagere krachten. Dit zorgde ervoor dat we geen verschil vonden in het metabole energieverbruik van de triceps surae of in het totale energieverbruik tussen de verschillende voetlandingspatronen. Vervolgens vonden we dat afwijken van de voorkeursstapfrequentie leidde tot kortere en minder kracht-efficiënte triceps surae spierlengtes. Bovendien nam bij een stapfrequentie lager dan voorkeursfrequentie de spierkracht van de soleus toe, terwijl bij hogere frequenties het positieve gemiddelde vermogen van het heupgewricht aanzienlijk toenam. Samen kan dit (een deel van) het toegenomen totale metabole energieverbruik wanneer je aan andere stapfrequenties dan de voorkeursfrequentie loopt verklaren. Ten slotte kwamen verschillen in het metabole energieverbruik van de triceps surae spier - indirect gemeten via de kracht, lengte, snelheid of geschat door modelering - overeen met verschillen in het metabole energieverbruik van het hele lichaam. Dit suggereert dat het metabole energieverbruik van de triceps surae spier een drijvende kracht zou kunnen zijn achter het kiezen van een bepaald looppatroon." "Onderzoek naar lange termijn effectiviteit van een uitgebreid telerevalidatieprogramma op het cardiovasculaire risicofactorprofiel, cardiopulmonale fitheid en op het verminderen van de kans op hervallen in een brede hartpatiënt populatie" "Paul DENDALE" "Health Care, Applied Computer Science Lab" "Hart- en vaatziekten zijn wereldwijd de belangrijkste vijanden van de gezondheid van de mens. Patiënten die aan deze ziekten lijden worden geadviseerd om deel te nemen aan een revalidatieprogramma, met het doel om recidief of deterioratie van hun ziekte tegen te gaan. In dit programma ligt de nadruk op het onderhouden van een actieve levensstijl, op het wijzigen van ongezonde gewoontes, op het aanleren van gezonde voedingsgewoontes en op het psychosociaal welzijn. Tot op heden wordt spijtig genoeg vastgesteld dat patiënten vaak niet participeren in dergelijk programma. Het is dus zeer belangrijk om nieuwe strategieën te bedenken en te implementeren, met als doel ervoor te zorgen dat hartpatiënten, na ontslag uit het ziekenhuis, een gezonde levensstijl aanleren en behouden. Wij denken dat telerevalidatie waarbij de patiënt revalideert op afstand van het ziekenhuis, ons kan helpen dit doel te bereiken. Dit is mogelijk door het gebruik van draagbare sensoren die de hartslag, de bloeddruk, het gewicht en de fysieke activiteit registreren, en via het internet of telefoonlijnen deze geregistreerde informatie doorsturen naar de arts. In dit project zullen we, aan de hand van de Telerehab III studie, de effectiviteit van een telerevalidatieprogramma onderzoeken op de belangrijkste risicofactoren voor hart- en vaatziekten (hoge bloeddruk, obesitas...), op de fysieke conditie van de patiënt, op de mogelijke recidieven van de ziekte... . Binnen dit project zal tevens geprobeerd worden een Cardiac Patient Training Companion (CPTC) te ontwikkelen. De CPTC is de ideale tool die de hartpatiënten zal helpen in hun revalidatieprogramma. De CPTC beschikt over de mogelijkheid data te registreren, de patiënt te coachen en te onderwijzen over zijn ziekte, ..." "Luchtidentificatie-registratie voor cultureel erfgoed: klimaatkwaliteit verbeteren (AIRCHECQ)." "Serge Demeyer" "Antwerpen Systemen en software Modellering (AnSyMo)" "Dit project kadert in een onderzoeksopdracht tussen enerzijds UA en anderzijds de federale overheid. UA levert aan de federale overheid de onderzoeksresultaten genoemd in de titel van het project onder de voorwaarden zoals vastgelegd in voorliggend contract." "Luchtidentificatie-registratie voor cultureel erfgoed: klimaatkwaliteit verbeteren (AIRCHECQ)." "Olivier Schalm" "Erfgoedwetenschappen Antwerpen (ARCHES)" "Dit project kadert in een onderzoeksopdracht tussen enerzijds UA en anderzijds de federale overheid. UA levert aan de federale overheid de onderzoeksresultaten genoemd in de titel van het project onder de voorwaarden zoals vastgelegd in voorliggend contract." "Luchtidentificatie-registratie voor cultureel erfgoed: klimaatkwaliteit verbeteren (AIRCHECQ)." "Karolien De Wael" "AXES (Antwerpen X-straal analyse, Elektrochemie en Speciatie)" "Dit project kadert in een onderzoeksopdracht tussen enerzijds UA en anderzijds de federale overheid. UA levert aan de federale overheid de onderzoeksresultaten genoemd in de titel van het project onder de voorwaarden zoals vastgelegd in voorliggend contract." "Registraties in de premotorische en parietale cortex in rhesus apen en patiënten tijdens grijpen." "Peter Janssen" "Laboratorium voor Neuro- en Psychofysiologie, Onderzoeksgroep Experimentele Neurochirurgie en Neuroanatomie" "Mensen en andere primaten hebben een uitzonderlijke vaardigheid om objecten te grijpen en te manipuleren. Deze schiijnbaar moeiteloze interactie met voorwerpen berust op een aantal hersengebieden in het visueel en het motorisch systeem. Om een voorwerp correct te grijpen moet het complexe beeld dat invalt op het netvlies omgezet worden in een motorisch plan dat de spiercontracties kan controleren. De neurale basis voor deze visuomotorische transformaties is echter nog grotendeels niet gekend. Dit project heeft als doel de neurale banen en mechanismes te onderzoeken die betrokken zijn bij het plannen van acties naar objecten - een essentiele vaardigheid voor ons overleven. Wij stellen een geïntegreerde aanpak voor om de omzetting van visuele informatie in motorische instructies te bestuderen in de hersenen van primaten, door middel van een combinatie van registraties van neuronen bij apen en bij patiënten, het decoderen van neurale informatie die op die manier bekomen wordt, computer visie en robotica. Dit onderzoek zal zich concentreren op de parietale area AIP en de premotorische area F5, twee hersengebieden die cruciaal zijn voor visueel-geleid grijpen van voorwerpen. De gegevens die we zullen bekomen zullen bijdragen aan de ontwikkelingen om neurale activiteit die geregistreerd wordt in visuomotorische gebieden te gebruiken om voorwerpen te grijpen door middel van een robot hand." "Nieuwe organ-on-chip systemen voor predictieve toxicologie en drug ontwikkeling." "Liesbet Lagae" "Kwantum-vastestoffysica, Fysica van Zachte Materie en Biofysica" "Hartaandoeningen zijn wereldwijd één van de belangrijkste doodoorzaken. Onderzoek naar een beter begrip en werking van het hart en de relatie met gebruikte geneesmiddelen is van fundamenteel belang. Om de werking van het hart beter te begrijpen, focust huidig onderzoek zich op in vivo dierproeven en op het gebruik van in vitro hartcel modellen. Dierproeven hebben echter ethische beperkingen en zijn mogelijk niet direct reproduceerbaar naar de reactie van de menselijke hartspier. Daarnaast vereenvoudigen de traditionele in vitro studies de werking van het hart door de activiteit van geselecteerde, individuele ionenkanalen, die aanwezig zijn in hartcellen, te analyseren. De bekomen resultaten zijn niet voldoende gevoelig noch volledig voorspellend voor wat er in het menselijk hart gebeurt.Om nevenwerkingen van geneesmiddelen op de hartspier beter te voorspellen, verschuift de focus van in vitro cardiotoxiciteitstesten naar nieuwe testapparatuur, die zowel de elektrische als de contractiele activiteit van in vitro cardiomyocyten meet. Bovendien verschilt het fenotype van in vitro gekweekte hartcellen sterk van in vivo hartcellen. Om dit te verhelpen, worden hart-op-een-chip platforms ontwikkeld die toelaten dat cellen zich in een micro-omgeving ontwikkelen, waarbij de eigenschappen van het hart beter kunnen worden gesimuleerd. De tot nu ontwikkelde systemen vertonen echter verschillende tekortkomingen zoals laag rendement bij metingen en bij productie van het platform, een beperkte signaalkwaliteit en meting van ofwel enkel de elektrische ofwel enkel de contractiele activiteit van hartcellen.Het doel van dit proefschrift was om een geïntegreerd hart-op-een-chip platform te ontwikkelen ter verbetering van in vitro hartonderzoek. Hierbij werd gebruik gemaakt van de integratie van 1) niet-invasieve sensoren, 2) gemanipuleerde micro-omgevingen en 3) microfluïdische systemen tot één enkel op silicium gebaseerd hart-op-een-chip platform. Een belangrijke vereiste voor dit platform is compatibiliteit tussen de verschillende toegepaste technologiemodules en mogelijkheid tot massaproductie. Omwille van het multidisciplinaire karakter van dit project, benadert dit manuscript de drie hoofddomeinen afzonderlijk en sequentieel om zo stapsgewijs hart-op-een-chip systemen te verbeteren.In het eerste deel werden nieuwe sensoren onderzocht die toelaten in vitro hartactiviteit accurater en sneller te bepalen. Hiertoe werd een lensvrije beeldvorming (English: Lens Free Imaging = LFI) strategie ontwikkeld, waarbij op niet-invasieve wijze de vervorming van hartcellen, gekweekt op transparante of ondoorzichtige substraten, gemeten kon worden. Door een op reflectie gebaseerd LFI-systeem te integreren op hoge-densiteit micro-elektrode-array (MEA)-chips, werden zowel de intracellulaire elektrische activiteit als de contractiliteit van de hartcellen simultaan gemeten. Dit laat toe om geneesmiddel-geïnduceerde veranderingen in microscopische (hart contractiliteit en excitatie-contractie koppeling) en in macroscopische (propagatie van de excitatie golf) cellulaire verschijnselen te meten. De combinatie van elektrische en contractiele sensoren in één apparaat is van grote waarde bij cardiotoxiciteitsscreening in de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen.In het tweede deel werden twee strategieën geëvalueerd om de relevantie van bestaande in vitro celmodellen te verbeteren. Eerst werd het gebruik van PisC, een slim polymeermateriaal met foto-graveerbare oppervlakte-eigenschappen (JSR Corporation, Tokyo, Japan), geëvalueerd om te bepalen of het mogelijk is om adsorptie van eiwitten en cellen op substraten te beïnvloeden. Door lijnen van cel-adhesieve gebieden te creëren, werden hartcellen gegroeid tot myofiber-achtige structuren. In een tweede benadering werd door gebruik van nanogroeven, die direct op silicium chip oppervlakten werden geëtst, de groei van cellen gestuurd. Bij beide benaderingen slaagden we erin de hartcellen uitgelijnd en uitgerekt te laten groeien, waarbij morfologieën geïnduceerd werden die de in vivo hartspier situatie beter nabootsen.In het derde deel werd gezocht naar een werkwijze om het rendement van hart-op-een-chip gebaseerde testen te verhogen. Hiervoor werd een nieuwe methodologie ontwikkeld, waarbij een microfluïdisch celkweeksysteem op een op silicium gebaseerd MEA werd gelinkt. Hierbij werd het MEA-oppervlak verdeeld in 16 afzonderlijke kamers. Hartcellen werden gedurende een week in de prototypes gekweekt. LFI-contractiliteitsmetingen werden uitgevoerd op transparante microfluïdische apparaten om de functionaliteit van de hartcellen te bevestigen. Ten slotte werd de extracellulaire elektrische activiteit van hartcellen geregistreerd in een proof-of-concept microfluïdisch hart-op-een-chip platform, waarbij een microfluïdisch systeem was geïntegreerd in een MEA met hoge dichtheid. De bekomen resultaten bewijzen dat het kweken van hartcellen op silicium gebaseerde sensoren compatibel is met de integratie van microfluïdische apparaten.Dit proefschrift toont aan dat op silicium gebaseerde hart-op-een-chip platforms een groot potentieel bieden voor het optimaliseren van in vitro hartonderzoek. Toekomstige toepassingen van dergelijke platforms zijn het in vitro testen van menselijke hartcel modellen. Deze modellen vertonen een verbeterde correlatie met menselijke hartcel reacties terwijl stamcelonderzoek gepersonaliseerde hart-op-een-chip modellen voor patiënten mogelijk maakt. Tot slot kunnen de lessen geleerd uit dit werk de verdere ontwikkeling van meer geavanceerde hart- en orgaan-op-een-chip platforms ondersteunen. Deze nieuwe systemen kunnen leiden tot een verbeterde en gepersonaliseerde behandeling van hartspierstoornissen en tot een afname van hartziekten door verbeterde geneesmiddelen."