This thesis deals with designing a portable indicator for measuring of content of ferromagnetic phase in non-ferromagnetic steels. The first part of the thesis describes the principle of sensor used in the indicator. A market survey is presented, with a description of selected indicators that are suitable for measurement of content of ferromagnetic phases. The following part deals with a design of the device hardware, which is focused on finding a suitable indicator concept. Circuits for battery charge, measuring chain and other circuits are designed in this part. The following part of the thesis describes the function of the software. First it describes the software for DSP, then the software for personal computer. The software for DSP has been programmed in the C language, the software for the personal computer in the C# language. The last part but one describes an inspectional measurement of the indicator. This measurement has been performed on testing samples as well as other materials. The final part presents a summary of the outcomes and provides recommendations for possible improvement.

The scope of my master thesis is a designing computer sound interface including measurement of audio performance. This work is concerning both design analog front - ends and digital support circuits. The sigma delta Analog to Digital (ADC) and Digital to Analog (DAC) converters is included in this conception. Those converters has been made into two separate printed circuit boards. All signal paths in this circuitry are utilizing differential mode that are quoted as balanced among audio engineers. Modern circuit components are used in this design, such as fully differential operational amplifiers, electronically controlled gain preamplifiers, low drop linear stabilizers with low noise level, DC component suppression circuits and low jitter active components. Theoretical part of this thesis contains specification of choosed sound defitions, questioning audio program loudness leveling. Further criteria of suitable active and passive components are included. In this thesis the simulations of fundamental circuits block are meant likewise. Practical part involve complete layout of printed circuit boards of and prototyping. Designed prototype device has wide application usage. It is intended to use not only as industrial computers, but also as dedicated sound converters, measurement cards, mixing consoles, switching matrixes, active loudspeakers, embedded systems.

This document describes the design of evaluation boards for wireless transmission of audio signal. The boards use WiSA compliant modules. It describes schematics of transmitter board, receiver board and boards of both AD and DA converter. Secondly the document describes the designed PCBs and demonstrates the results by photodocumentation. It also includes description of C library for using FLASH memory to store data and the C driver for FT800 chip and the typical application using this chip including touch

Increasing sampling rates and sampling accuracies of analog-to-digital converters (ADCs) are growing the importance of digital data acquisition and signal processing for applications requiring high bandwidth. In this context, this work is focused on researching and developing new techniques and a new system architecture for optimal throughput and minimal intrinsic dead time. The investigations of this work concentrate on event processing systems by pulse shaping on SuperSampleRate (SSR) ADC data streams. SSR ADC data streams are data streams which require processing of more than one sample per clock cycle by digital circuits. To implement data processing in this work only Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are used, as they provide the right approach for high throughput and minimum dead time with ability to adapt to high- application-specific circuits afterwards. As a result of this work a system architecture was developed which decouples the event acquisition and their processing inside the FPGA. This property is realized by a special FIFO structure in the FPGA. This concept achieves an intrinsic dead time of one ADC sample period and allows pre-processing of all channels by multiple instantiated processing cores and scheduling in hardware. By means of this new system architecture, two conventional scientific measuring instruments based on analog technology were improved by digital data acquisition and signal processing. These measuring instruments are a spectrometer for time-differential perturbed angular correlations (TDPAC) and a digital spectrometer and data acquisition system at a nuclear microprobe for ion beam analysis and imaging. Both measuring instruments detect elementary particles or radiation emitted by the measuring sample by detectors as events. The time curves of several analog detector output signals (channels) are now recorded by ADCs and forwarded without loss as SSR data streams to one FPGA. The hardware used here are FPGA digitizers which isolate the data acquisition and subsequent pre-processing by FPGAs into modules. The improvement of the measuring efficiency of the two digital measuring instruments was achieved by minimizing the dead time, increasing the throughput, and by matching their time and energy resolutions with the conventional measuring instruments. Specifically to enable better time and energy resolutions combined with maximum throughput, this work has developed and implemented parallel processing SSR FIR and SSR IIR filters for pulse shaping as processing cores in the FPGAs which can handle multiple samples per clock cycle. To match the time resolution performance of conventional Constant Fraction Discriminators (CFDs) these filter implementations realize a digital Constant Fraction Trigger (CFT) with fractional delays (below one sampling period). In this work the energy resolution was optimized by implementing a transfer function adjustable SSR IIR filter. Thus the filter provides maximum flexibility for pulse shaping of different detector types. By implementing the computationally intensive pre-processing in FPGAs, the measuring instruments could be equipped with only one underutilized PC, which can now implement new functionalities. These functionalities include a runtime-optimized coincidence measurement of stretched cascades (like for 180mHf) for the TDPAC spectrometer and a digital pileup rejection for the data acquisition system for ion beam analysis. / Die digitale Messwerterfassung und -verarbeitung erhält unter anderem durch steigende Abtastraten und Abtastgenauigkeiten von Analog-Digital-Wandlern (ADCs) wachsende Bedeutung für Anwendungen, welche eine hohe Bandbreite voraussetzen. In diesem Rahmen widmet sich diese Arbeit der Erforschung und Entwicklung neuer Techniken und einer neuen Systemarchitektur, mit denen eine Datenaufnahme und anschließende Signalverarbeitung, bei optimalem Durchsatz und minimaler intrinsische Totzeit umgesetzt werden kann. Die Untersuchungen fokussieren sich dabei auf Systeme zur Ereignisverarbeitung durch Impulsformung (pulse shaping) auf SuperSampleRate(SSR)-ADC-Datenströmen. SSR-ADC-Datenströme sind dabei ADC-Datenströme, welche eine Verarbeitung durch digitale Schaltungen benötigen, bei denen mehr als ein Sample pro Taktzyklus behandelt werden muss, um Datenverlust zu verhindern. Zur Implementierung der Datenverarbeitung kommen dazu ausschließlich Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) zum Einsatz, da diese den passenden Ansatz für digitale Schaltungen mit hohen Durchsatz und minimaler Totzeit mit gleichzeitiger nachträglicher Anpassbarkeit für hoch anwendungsspezifische Schaltungen bieten. Als Ergebnis wurde in dieser Arbeit eine Systemarchitektur entwickelt, welche die Ereigniserfassung und deren Verarbeitung im FPGA voneinander entkoppelt. Dies wird durch eine im FPGA realisierte FIFO-Struktur ermöglicht. Durch dieses Konzept wird eine intrinsische Totzeit der Systeme in der Größenordnung der ADC-Abtastperiodenlänge erreicht und eine Vorverarbeitung aller Kanäle durch mehrfache instanziierte Verarbeitungskerne und Scheduling in Hardware ermöglicht. Mittels dieser neuen Systemarchitektur werden zwei auf analogtechnisch basierende konventionelle wissenschaftliche Messinstrumente, durch digitale Messwerterfassung und Signalverarbeitung, verbessert. Bei diesen Messinstrumenten handelt es sich um ein Spektrometer zur zeitaufgelösten gestörten Winkelkorrelation (engl. Time Differential Perturbed Angular Correlation (kurz TDPAC-Spektrometer)) und ein Datenerfassungssystem zur ortsaufgelösten elementspezifischen Ionenstrahlanalyse und Ionenstrahlmikroskopie, welche im Wesentlichen von der Messprobe emittierte und durch Detektoren erfasste Elementarteilchen oder Strahlung als Ereignisse verarbeiten. Die Verläufe der analogen Detektorausgangssignale werden dabei mittels ADCs erfasst und verlustfrei als SSR-Datenströme an einen FPGA weitergeleitet. Dabei werden mehrere ADC-Datenströme (dann Kanäle genannt) von einem FPGA verarbeitet. Als Hardware kommen hier FPGA-Digitizer zum Einsatz. Diese Module isolieren die digitale Messwerterfassung durch ADCs und eine anschließende Vorverarbeitung von FPGAs, deren digitale Schaltung individuell implementiert werden kann, in eine Hardware. Eine Verbesserung der Messeffizienz der beiden digitalisierten Messinstrumente konnte durch die Minimierung der Totzeit, die Erhöhung des Durchsatzes aber auch durch die Anknüpfung ihrer Zeit- und Energieauflösung der detektierten Ereignisse erreicht werden. Speziell zur Ermöglichung besserer Zeit- und Energieauflösungen von Detektorereignissen mit maximalem Durchsatz wurden in dieser Arbeit SSR-FIR- und SSR-IIR-Filter zur Impulsformung als Verarbeitungskerne in den verwendeten FPGAs implementiert, welche pro Taktzyklus mehrere Samples verarbeiten können. Diese Filterimplementierungen setzen zur Optimierung der Zeitauflösung im Subsample-Bereich mit den Constant Fraction Trigger (CFT) an der Leistungsfähigkeit konventioneller Constant Fraction Discriminator (CFDs) an und ermöglichen ebenso Fractional Delays (Zeitverzögerungen unter einer Abtastperiode). Die Energieauflösung wurde in dieser Arbeit dadurch optimiert, dass der entwickelte SSR-IIR-Filter in seiner Übertragungsfunktion anpassbar ist und so maximale Flexibilität zur Impulsformung unterschiedlicher Detektortypen bietet. Durch die Umsetzung der rechenintensiven Vorverarbeitung in FPGAs konnten die Messinstrumente mit lediglich einem Mess-PC ausgestattet werden, welcher nun neue Funktionalitäten umsetzen kann. Zu diesen Funktionalitäten gehört eine laufzeitoptimierte Koinzidenzmessung gestreckter Kaskaden (Kaskade mit mehr als einem Start-Ereignis) für das TDPAC-Spektrometer und eine digitale Pileup-Verwerfung für das Datenerfassungssystem zur Ionenstrahlanalyse.

This bachelor's thesis aims to implement a wave propagation experiment on Field-Programmable Gate Array to detect the signal strength at pre-defined frequencies for use in sounding rocket experiments. This includes the choice of suitable components such as analog to digital converters, filters, voltage regulators, and amplifiers. The board prototype was designed by keeping in mind the need for a miniaturized solution that would still provide the wanted results, by following design guidelines. The second part of the project involves the design of the software in a hardware description language. An analysis in MATLAB® was done to determine the parameters needed to successfully reconstruct the transmitted signal on the receiver, while still being able to fit on the given FPGA. To make sure of that, a simulation was performed on ModelSim a tool for simulation and debugging for VHDL. From the simulations, it can be concluded that this design is feasible and that this project gives the basis for further development, to create a viable solution for a wave propagation experiment with a miniaturized payload. / Denna kandidatuppsats syftar till att implementera ett vågutbredningsexperiment på Field-Programmable Gate Array för att detektera signalstyrkan vid fördefinierade frekvenser för användning i sonderingsraketexperiment. Detta inkluderar val av lämpliga komponenter som analog till digital omvandlare, filter, spänningsregulatorer och förstärkare. Kortprototypen designades genom att ha i åtanke behovet av en miniatyriserad lösning som fortfarande skulle ge önskat resultat, genom att följa designriktlinjerna. Den andra delen av projektet involverar design av programvaran i ett hårdvarubeskrivningsspråk. En analys i MATLAB® gjordes för att bestämma parametrarna som behövs för att framgångsrikt rekonstruera den sända signalen på mottagaren, samtidigt som den fortfarande kan passa på den givna FPGA. För att säkerställa det gjordes en simulering på ModelSim ett verktyg för simulering och felsökning för VHDL. Från simuleringarna kan man dra slutsatsen att denna design är genomförbar och att detta projekt ger grunden för vidareutveckling, för att skapa en hållbar lösning för ett vågutbredningsexperiment med en miniatyriserad nyttolast. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2022, KTH, Stockholm

No description available.

The key requirements of a reliable neural signal recording system include low power to support long-term monitoring, low noise, minimum tissue damage, and wireless transmission. The neural spikes are also detected and sorted on-chip/off-chip to implement closed-loop neuromodulation in a high channel count setup. All these features together constitute an empirical neural recording system for neuroscience research. In this prospectus, we propose to develop a neural signal acquisition system with wireless transmission and feature extraction. We start by designing a prototype entirely built with commercial-off-the-shelf components, which includes recording and wireless transmission of synthetic neural data and feature extraction. We then conduct the CMOS implementation of the low-power multi-channel neural signal recording read-out circuit, which enables the in-vivo recording with a small form factor. Another direction of this thesis is to design a self-powered motion tracking read-out circuit for wearable sensors. As the wearable industry continues to advance, the need for self-powered medical devices is growing significantly. In this line of research, we propose a self-powered motion sensor based on reverse electrowetting-on-dielectric (REWOD) with low-power integrated electronics for remotely monitoring health conditions. We design the low-power read-out circuit for a wide range of input charges, which is generated from the REWOD sensor.

The digital transformation of production and living is one research field with potential to overcome arising ecological and social problems. Digital technologies associated with the internet of things (IoT) enable new intelligent, sustainable and efficient production techniques. Massive monitoring and optimal controlling of industrial processes (smart fabrication) and human living (smart cities) ultimately results in the reduction of resource demands. Key parts of these new applications are microelectronic sensor read-out systems connected in IoT sensor networks, which measure and transmit multi-physical environmental parameters. In practical applications, large quantities (tens to hundreds) of sensor nodes are used. Circuitry with minimized power consumption is necessary to ensure long operation time and low maintenance cost. The motivation of this work is the development of a low-power, low-cost, microelectronic sensor read-out circuit, which combines flexibility of employed IoT sensor hardware with flexibility in complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology. This work covers design and implementation of an integrated multi-sensor analog frontend (AFE) with a near-zero power consumption below 10 μW, which offers above-state of the art, real-time configurability of key parameters and flexibility in application and technology. It aims for IoT environmental sensing applications, where energy-efficient, medium-speed and medium-resolution data acquisition of different environmental sensor signals is required. Its innovative architecture supports a wide variety of voltage ranges, frequency levels and sensor types, while maintaining energy-efficiency in different operation modes. Samples of the developed AFE are employed in autonomous sensor nodes for smart cities and smart factories, where they collect and process environmental parameters such as weather (light, temperature) and gases. The durable sensor nodes are operated by energy harvester sources and transmit data wirelessly, demonstrating one practical realization of an autonomous zero-power IoT network. Moreover, the technological flexibility of the AFE is investigated by migrating one key building block, which is the analog-to-digital converter, to different CMOS technologies. Conclusions for the optimal CMOS node for the entire AFE are drawn by performance comparison. / Die digitale Transformation von Industrie und Gesellschaft hat das Potential, zur Bewältigung bevorstehender ökologischer und sozialer Krisen beizutragen. Moderne digitale Technologien, wie das Internet der Dinge (engl. internet of things, IoT), ermöglichen intelligente Produktionsketten von nie dagewesener Effizienz und Nachhaltigkeit. Mit feingranularer Kontrolle und optimierter Steuerung soll schlussendlich der Ressourcenverbrauch von geregelten Prozessen, zum Beispiel in der smarten Fabrik und in der smarten Stadt, verringert werden. Schlüsseltechnologien dieser neuen Anwendungsfälle sind mikroelektronische Sensor-Auslese-Schaltungen, die multi-physikalische Umweltparameter messen und drahtlos in IoT-Netzwerke übertragen. In praktisch relevanten Szenarien bestehen solche Netzwerke aus dutzenden bis tausenden Sensorknoten. Unter unternehmerischen Gesichtspunkten sind lange Betriebszeiten ohne Batteriewechsel und geringe Wartungskosten notwendig, welche u. a. durch Elektronik mit minimalem Energieverbrauch erreicht werden können. Die Motivation dieser Arbeit ist die Entwicklung einer energiesparenden und kostengünstigen mikroelektronischen Sensor-Auslese-Schaltung, die Flexibilität in der Auswahl der eingesetzten IoTSensoren mit Flexibilität in der Auswahl der Halbleiter-Technologie (engl. complementary metal oxide semiconductor, CMOS) verbindet. Diese Arbeit behandelt Entwurf und Implementierung eines integrierten Multi-Sensor-Analog-Frontends (AFE) mit extrem geringer Leistungsaufnahme von weniger als 10 μW (engl. near zero power), dessen Echtzeit-Konfigurierbarkeit von relevanten Parametern und dessen Flexibilität in Anwendung und Technologie ein Niveau erreicht, das sich über dem Stand der Technik befindet. Es soll in IoT-Anwendungen eingesetzt werden, in denen die energieeffiziente Verarbeitung von verschiedenen Umwelt-Sensor-Signalen mit mittlerer Geschwindigkeit und mittlerer Genauigkeit gefordert ist. Mit seiner innovativen Architektur unterstützt es einen großen Bereich von Eingangsspannungen, Eingangs-Frequenzen und Sensor-Typen in unterschiedlichen Operations-Modi, wobei seine Energieeffizienz nicht beeinträchtigt wird. Exemplare des entworfenen AFEs werden durch den Einsatz in autonomen Sensorknoten für die smarte Stadt und die smarte Fabrik, wo sie Umweltparameter wie Wetter (Licht, Temperatur) und Gaskonzentrationen sammeln und verarbeiten, in die Anwendung überführt. Die langlebigen Sensorknoten, die ihre Energie von alternativen Quellen beziehen und via drahtloser Funkverbindung kommunizieren, demonstrieren eine praktische Realisierung eines autonomen Zero-Power-IoT Netzwerkes. Zusätzlich untersucht diese Arbeit die Technologie-Flexbilität des AFEs, indem ein Kernbaustein, der Analog-Digital-Wandler, in verschiedene CMOS-Technologien migriert wird. Anhand eines Vergleichs werden Schlüsse für den optimalen Technologieknoten des gesamten AFEs gezogen.

Breast cancer is a major global health problem and the most common form of cancer among women. Major advances in the technologies of imaging provide improved detection and sensitivity with fewer unnecessary biopsies. Commonly used imaging modalities include mammography, ultrasonography, magnetic resonance imaging (MRI), scintimammography, single photon emission computed tomography (SPECT) and positron emission tomography (PET). The current study is focused on breast MRI imaging, especially one of the most promising recent techniques, i.e. the Diffusion Weighted Imaging breast MRI (DWI). DWI is an unenhanced MRI technique, based on volume sequences on various b values (the b value identifies the measurement's sensitivity to diffusion and determines the strength and duration of the diffusion gradients) measuring the mobility of water molecules (Brownian motion) in vivo (in tissues) and provides different and potentially complementary information to Dynamic Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Imaging (DCE-MRI) technique. As DWI based on the diffusive properties of water molecules, reflects their random motion resulting from thermal agitation. Water diffusion on breast can be quantified by measuring the mean diffusivity, which is the average of Apparent Diffusion Coefficient (ADC). The ADC can be calculated by making measurements at a low b factor, b1, and a higher b factor, b2. DWI allows the mapping of the diffusion process of molecules by the ADC map. ADC maps are calculated by collecting images with at least 2 different values, b1 and b2, of the b factor. The ADC map is a parametric image whose color scale or gray scale represents the ADC values of the voxels and is usually generated by proprietary or in house software. DWI apart from the 3D anatomical information, provides a noninvasive investigation of tissue vascularity, a novel contrast mechanism in MRI and has a high sensitivity in the detection of changes in the local biologic environment due to a pathologic process. Therefore, in addition to contrast enhancement-based characterization (DCE-MRI), measurement of the motion of water molecules in DWI provides an additional feature for lesion characterization that may further increase the specificity of MRI for classifying breast lesions. The diagnostic task that the current study deals with, accounts for the diagnosis of mass-like lesions in Diffusion Weighed Magnetic Resonance Imaging, based on low ADC values compared to high once in case of benign versus normal tissue. The hypothesis is that diffusivity of water molecules is restricted in environments of high cellularity, intracellular and extracellular edema, high viscosity, and fibrosis, such as malignant tumors, because these conditions become barriers to the movement of water molecules. Therefore, most of breast cancers show low ADC values compared with benign and normal tissue. Many studies have revealed the usefulness of ADC values in the differential diagnosis of breast lesions; however, the clinical effect remains limited because of the substantial overlap between benign and malignant lesions, which presents challenges for implementing a useful diagnostic ADC threshold. The majority of studies, similar to the current study, determined optimal cutoff levels of the ADC value between malignant and benign lesions by using ROC analysis, and ranged from 0.90 to 1.76 × 10-3 mm2/s while the sensitivity and specificity ranged from 63% to 100% and 46% to 97%, respectively. In addition, the methods for measuring ADC differ among reported studies, with the most representative method being the mean value of ADC (mean ± standard deviation) over a Region Of Interest representative of the breast lesion. The purpose of this study was to investigate the ability of histogram characteristics of Apparent Diffusion Coefficient (Apparent Diffusion Coefficient-ADC) to differentiate malignant from benign breast lesions in breast DWI. To this end the ADC maps of representative lesion ROIs were subjected to first order statistics analysis by calculating five first order textural features: Mean value, Standard Deviation, Kurtosis, Skewness and Entropy. This approach is intended to offer a more complete assessment of tumor texture and heterogeneity. The dataset analyzed is comprised of 92 histologically verified breast lesions, originating from 69 women with mammographically and/or ultrasonographically detected or palpable findings. Histology revealed 53 malignant lesions originating from 45 women and 39 benign lesions originating from 26 women. All of the breast MR examinations were performed with a 3T MR scanner, for b= 0, 900 s/mm2. Diagnostic performances of these parameters were compared by receiver operating characteristic (ROC) curve analysis. The mean of ADC of benign lesions [(1.470 ± 0.342) × 10-3 mm2/s] was found to be significantly higher than that of malignant tumours, [(0.965 ± 0.268) × 10-3 mm2/s, (p<0.00001)]. The standard deviation of ADC of benign lesions [(0.184 ± 0.999) × 10-3 mm2/s] was not significantly different from that of malignant tumours, [(0.192 ± 0.151) × 10-3 mm2/s, (p=0.6581)]. The skewness of ADC of benign [-0.303 ± 0.584] was significantly different than that of malignant tumours, 0.210 ± 0.725. (p = 0.0008)]. The kurtosis of ADC of benign [3.003 ± 1.065] was not significantly different from that of malignant tumours, [3.337 ± 1.334. (p=0.0987)]. The entropy of ADC of benign [4.794 ± 0.665] was significantly lower than that of malignant tumours, [5.569 ± 0.649, (p<0.00001)] The corresponding area under the empirical receiver operating characteristic curve was: 0.862 ± 0.042 (95% confidence interval: 0.754, 0.925) for mean of ADC, 0.705 ± 0.054 (95% confidence interval: 0.589, 0.800) for skeweness of ADC, 0.800 ± 0.046 (95% confidence interval: 0.691, 0.874) for entropy of ADC, resulting a good diagnostic performance of DWI for these parameters. On the other hand, an AUC of 0.527 ± 0.063 (95% confidence interval: 0.393, 0.640) and 0.601 ± 0.061 (95% confidence interval: 0.470, 0.707) for Standard deviation and kurtosis respectively, suggests a degree of overlap in ADC values between benign and malignant tumors. In an effort to identify optimal threshold values for differentiating benign versus malignant lesions these were selected to correspond to the points of highest accuracy of the ROC curves. In our study, we obtained two threshold values of mean ADC, both with an accuracy of 83.15%: 1.21 x 10-3 mm2/s with a sensitivity of 86.27% and specificity of 78.95%; and 1.32 x 10-3 mm2/s with a sensitivity of 92.16% and specificity of 71.05%. The threshold value of skeweness was -0.06 with an accuracy of 68.54%, a sensitivity of 66.03% and specificity of 66.67%. Finally, we found two threshold values of entropy, both with an accuracy of 76.40%: 5.17 with a sensitivity of 75.47% and specificity of 71.80%; and 5.21 with a sensitivity of 73.59% and specificity of 74.36%. In conclusion, results of the current study suggest the contribution of texture analysis methods in Diffusion-weighted MRI breast imaging for the quantification of tissue heterogeneity, providing important information for breast cancer diagnosis. Histogram analysis of ADC values in breast cancer has potential for differentiating benign and malignant tumors, providing information about the entire tumor. The mean, skewness and entropy of ADC are valuable parameters that are correlated with pathologic characterization of breast tumors. These 3 ADC parameters significantly elevated the quantitative diagnostic performance of breast DWI and would be effective parameters in distinguishing between malignant and benign breast lesions. Finally, future efforts will also focus on investigating the correlation of extracted texture features with histopathological findings, in order to verify the potential of the proposed texture analysis of ADC map in providing non-invasive prognostic factors of breast cancer. / Ο καρκίνος του μαστού είναι ένα σημαντικό παγκόσμιο πρόβλημα υγείας και η πιο διαδεδομένη μορφή καρκίνου στον γυναικείο πληθυσμό. Η ολοένα και πιο έγκαιρη διάγνωση του καρκίνου του μαστού έχει οδηγήσει σε σημαντική βελτίωση του ρυθμό θεραπείας της νόσου. Σημαντικές πρόοδοι στην τεχνολογία της απεικόνισης παρέχουν τη βελτιωμένη ανίχνευση και ευαισθησία του καρκίνου και οδηγούν σε όλο ένα και λιγότερες περιττές βιοψίες. Οι πιο συνηθισμένες μέθοδοι απεικόνισης, που χρησιμοποιούνται, περιλαμβάνουν την Μαστογραφία, την Υπερηχογραφία, την Μαγνητική Τομογραφία (MRI), την σπινθηρομαστογραφία, την Τομογραφία Εκπομπής Φωτονίων (SPECT) και την Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων (PET). Η παρούσα μελέτη επικεντρώνεται στην τεχνολογία της Απεικόνισης Μαγνητικού Συντονισμού ειδικά σε μία πρόσφατη και ελπιδοφόρα τεχνική απεικόνισης του καρκίνου του μαστού, που ονομάζεται Απεικόνιση Σταθμισμένης Διάχυσης στη Τομογραφία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (Diffusion Weighted Imaging breast MRI (DWI)). Η DWI είναι μια MRI ακολουθία χωρίς χρήση σκιαγραφικής ουσίας, η οποία βασίζεται σε αλληλουχίες για διάφορες τιμές του παράγοντα διάχυσης b (η τιμή b προσδιορίζει την διαχυτότητα και καθορίζει την ένταση και τη διάρκεια των βαθμωτών πεδίων διάχυσης). Η DWI ποσοστικοποιεί την κινητικότητα των μορίων του νερού (Brownian κίνηση) in vivo (σε ιστούς) και παρέχει διαφορετικές και ενδεχομένως συμπληρωματικές πληροφορίες στην μαστογραφία μαγνητικής τομογραφίας με χρήση σκιαγραφικού (Dynamic Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Imaging: DCE-MRI). Η DWI με βάση τις ιδιότητες διάχυσης των μορίων του νερού, αντανακλά την τυχαία κίνησής τους λόγω της θερμικής τους ενέργειας. Η διάχυση του νερού στον μαστό μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με τη μέτρηση της μέσης διαχυτότητας, η οποία αναφέρεται ως Φαινόμενος Συντελεστής Διάχυσης (Apparent Diffusion Coefficient-ΑDC). Ο ADC υπολογίζεται ύστερα από μετρήσεις για δυο b τιμές, μια χαμηλή b1 και μια υψηλότερη b2 τιμή. Η DWI επιτρέπει την χαρτογράφηση της διάχυσης των μορίων του νερού μέσω του ADC χάρτη. Ο ADC χάρτης είναι μια παραμετρική εικόνα της οποίας η κλίμακα χρωμάτων ή κλίμακα των τόνων του γκρι, αντιπροσωπεύει τις ADC τιμές των voxels και συνήθως παράγεται από λογισμικό. Οι παραμετρικοί ADC χάρτες απεικόνισης DWI αναπαριστούν τη μικροδομή των ιστών για διάφορους συνδυασμούς τιμών της παραμέτρου b. Η DWI εκτός από 3D ανατομική πληροφορία, παρέχει μια μη επεμβατική διερεύνηση της αγγειοβρίθειας του ιστού, έναν νέο μηχανισμό αντίθεσης στην MRI, και χαρακτηρίζεται από υψηλή ευαισθησία στην ανίχνευση ενδεχόμενων αλλαγών στο τοπικό βιολογικό περιβάλλον, οι οποίες οφείλονται σε παθολογία. Ως εκ τούτου, εκτός από τον χαρακτηρισμό αλλοιώσεων βάση σκιαγραφικής ενίσχυσης (DCE - MRI), η ποσοτικοποίηση της κίνησης των μορίων του νερού στην DWI παρέχει επιπλέον στοιχεία για τον χαρακτηρισμό της αλλοίωσης, κάτι το οποίο μπορεί να αυξήσει περαιτέρω την ειδικότητα της MRI για την ταξινόμηση των αλλοιώσεων του μαστού. Το διαγνωστικό πρόβλημα το οποίο αντιμετώπισε/εστίασε η παρούσα διπλωματική εργασία, αφορά στο χαρακτηρισμό/διάγνωση χωροκατακτητικών αλλοιώσεων (mass-like) του μαστού στην Απεικονιση Μαγνητικου Συντονισμου Σταθμισμενης Διαχυσης (DWI) και την ποσοτικη αναλυση του Φαινομενου Συντελεστη Διαχυσης (ADC) για διαγνωση καρκινου του μαστου. Η ικανότητα διάχυσης των μορίων του νερού περιορίζεται σε περιβάλλον υψηλής κυτταροβρίθιας, ενδοκυττάριων και εξωκυττάριων οιδημάτων, υψηλού ιξώδους και ίνωσης, όπως συμβαίνει στους κακοήθεις όγκους, διότι οι παράγοντες αυτοί εμποδίζουν την κυκλοφορία των μορίων του νερού. Αποτέλεσμα αυτού είναι οι περισσότεροι καρκίνοι του μαστού να παρουσιάζουν χαμηλές ADC τιμές σε σύγκριση με τους καλοήθεις όγκους ή τον φυσιολογικό ιστό. Πολλές μελέτες έχουν δείξει τη χρησιμότητα των ADC τιμών στη διαφορική διάγνωση των αλλοιώσεων του μαστού. Εν τούτοις, το κλινικό αποτέλεσμα παραμένει περιορισμένο λόγω της σημαντικής επικάλυψης καλοήθων και κακοήθων αλλοιώσεων, γεγονός που αποτελεί πρόκληση για την εφαρμογή ενός χρήσιμου διαγνωστικού ορίου της μέσης ADC. Στη πλειοψηφία των μελετών, όπως και στη παρούσα μελέτη, τα βέλτιστα επίπεδα αποκοπής της ADC μεταξύ κακοήθων και καλοήθων αλλοιώσεων προσδιορίστηκαν με τη χρήση ROC ανάλυσης. Στις μέχρι τώρα μελέτες τα διαγνωστικά όρια της μέσης ADC κυμαίνονται από 0.90 έως 1.76 × 10-3 mm2 / s, με ευαισθησία και ειδικότητα να κυμαίνονται από 63% έως 100% και 46% έως 97%, αντίστοιχα. Γεγονός αποτελεί, επίσης, η διαφορετική μέθοδος υπολογισμού της ADC που ακολουθεί η κάθε μελέτη, με πιο συχνή μέθοδο, ο υπολογισμός της μέσης τιμής της ADC (μέση τιμή ± τυπική απόκλιση) σε μια περιοχή ενδιαφέροντος (ROI) μιας αλλοίωσης του μαστού. Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας ήταν να διερευνηθεί η ικανότητα των χαρακτηριστικών ιστογράμματος του Φαινόμενου Συντελεστή Διάχυσης (Apparent Diffusion Coefficient-ADC) να διαφοροποιούν κακοήθεις από καλοήθεις αλλοιώσεις του μαστού στην Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού Σταθμισμένης Διάχυσης (Diffusion Weighted MRI-DWI). Για το σκοπό αυτό, δημιουργήθηκε ο ADC παραμετρικός χάρτης ο οποίος αποτέλεσε τη βάση για την εφαρμογή μεθόδου ανάλυσης υφής εικόνας, και τον υπολογισμό πέντε χαρακτηριστικών υφής πρώτης τάξης: την μέση τιμή, την τυπική απόκλιση, την κύρτωση, την λοξότητα και την εντροπία. Η προσέγγιση αυτή θεωρήθηκε ότι θα προσφέρει μια πιο ολοκληρωμένη αξιολόγηση της υφής του όγκου και της ετερογένειας. Η προσέγγιση εφαρμόσθηκε σε κλινικό δείγμα 92 ιστολογικά αποδεδειγμένων αλλοιώσεων του μαστού, οι οποίες προέρχονται από 69 γυναίκες οι οποίες είχαν νωρίτερα ανιχνευθεί μέσω μαστογραφίας ή/και υπερηχογραφίας ή από ψηλαφητά ευρήματα. Η ιστολογική εξέταση αποκάλυψε 53 κακοήθεις αλλοιώσεις που προέρχονταν από 45 γυναίκες και 39 καλοήθεις αλλοιώσεις από 26 γυναίκες. Όλες οι εξετάσεις μαγνητικής τομογραφίας του μαστού έγιναν με σύστημα MRI 3T και για b=0 και 900 s/mm2. Η διαγνωστική απόδοση/επίδοση των παραμέτρων αυτών συγκρίθηκε με την ανάλυση λειτουργικού χαρακτηριστικού δέκτη (ROC analysis). Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν τον σημαντικό ρόλο της ανάλυσης ADC ιστογράμματος χρησιμοποιώντας τα 5 παραπάνω χαρακτηριστικά υφής για την ταυτοποίηση των αλλοιώσεων του μαστού. Οι μετρήσεις της μέσης τιμής, της λοξότητας και της εντροπία της ADC των καλοήθων και κακοήθων αλλοιώσεων του μαστού είχαν στατιστικώς σημαντική διαφορά. Ειδικότερα, η μέση ADC τιμή των καλοήθων όγκων [(1.470 ± 0.342) × 10-3 mm2/s] ήταν σημαντικά υψηλότερη από εκείνη των κακοήθων, [(0.965 ± 0.268) × 10-3 mm2/s, (ρ < 0.00001)]. Η λοξότητα της ADC των καλοήθων όγκων [-0.303 ± 0.584], διέφερε σημαντικά από εκείνη των κακοήθων, [0.210 ± 0.725. (ρ= 0.0008)]. Και η εντροπία της ADC των καλοήθων όγκων [4.794 ± 0.665], ήταν σημαντικά χαμηλότερη από εκείνη των κακοήθων, [5.569 ± 0.649, (ρ < 0.00001)]. Ωστόσο, η τυπική απόκλιση και η κύρτωση της ADC των καλοήθων και κακοήθων αλλοιώσεων του μαστού δεν είχαν στατιστικώς σημαντική διαφορά. Συγκεκριμένα, η τυπική απόκλιση της ADC των καλοήθων όγκων ήταν [(0.184 ± 0.999) × 10-3 mm2/s] ενώ των κακοήθων ήταν [(0.192 ± 0.151) × 10-3 mm2/s, (ρ = 0.6581)] και η κύρτωση της ADC των καλοήθων όγκων ήταν [3.003 ± 1.065] ενώ των κακοήθων ήταν [3.337 ± 1.334, (ρ = 0.0987)]. Η περιοχή κάτω από την ROC καμπύλη (AUC) για τη μέση ADC τιμή ήταν 0.862 ± 0.042 (95% διάστημα εμπιστοσύνης: 0.754, 0.925), για την λοξότητα της ADC ήταν 0.705 ± 0.054 (95% διάστημα εμπιστοσύνης: 0.589, 0.800) και για η εντροπία της ADC ήταν 0.800 ± 0.046 (95% διάστημα εμπιστοσύνης: 0.691, 0.874), και είχαν ως αποτέλεσμα μια καλή διαγνωστική απόδοση/ επίδοση της DWI για τις παραμέτρους αυτές. Από την άλλη πλευρά, η AUC με 0.527 ± 0.063 (95% διάστημα εμπιστοσύνης: 0.393, 0.640) και με 0.601 ± 0.061 (95% διάστημα εμπιστοσύνης: 0.470, 0.707) για την τυπική απόκλιση και την κύρτωση, αντίστοιχα, υποδηλώνει ένα βαθμό επικάλυψης στις ADC τιμές μεταξύ καλοήθων και κακοήθων όγκων. Τα βέλτιστα κατώφλια αποκοπής για διαφοροποίηση καλοήθων έναντι κακοήθων αλλοιώσεων καθορίστηκαν με τον εντοπισμό των σημείων όπου η ακρίβεια ήταν μέγιστη στις καμπύλες ROC. Από τη συγκεκριμένη μελέτη, προέκυψαν δύο τιμές κατωφλίου αποκοπής της μέσης ADC, με την ίδια ακρίβεια 83.15%. Το πρώτο κατώφλι με τιμή 1.21 x 10-3 mm2/s χαρακτηρίζεται με ευαισθησία 86.27% και ειδικότητα 78.95%. Και το δεύτερο κατώφλι με τιμή 1.32 x 10-3 mm2/s χαρακτηρίζεται με ευαισθησία 92.16% και ειδικότητα 71.05%. Το κατώφλι για την λοξότητα της ADC ήταν στα -0.06 με ακρίβεια 68.54%, ευαισθησία 66.03% και ειδικότητα 66.67%. Τέλος, προέκυψαν δύο τιμές κατωφλίου αποκοπής της εντροπίας της ADC με την ίδια ακρίβεια ακρίβεια 76.40%. Το πρώτο κατώφλι με τιμή 5.17 χαρακτηρίζεται με ευαισθησία 75.47% και ειδικότητα 71.80%. Και το δεύτερο κατώφλι με τιμή 5.21 χαρακτηρίζεται με ευαισθησία 73.59% και ειδικότητα 74.36%. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης δείχνουν τη συνεισφορά των μεθόδων ανάλυσης υφής εικόνας στη Απεικονιση Μαγνητικου Συντονισμου Σταθμισμενης Διαχυσης (DWI) του μαστού για την ποσοτικοποίηση της ετερογένειας του ιστού, παρέχοντας σημαντικές πληροφορίες για τη διάγνωση του καρκίνου του μαστού. Η ανάλυση ιστογράμματος των ADC τιμών στον καρκίνο του μαστού έχει τη δυνατότητα διαφοροποίησης καλοήθων και κακοήθων όγκων, παρέχοντας πληροφορίες για το σύνολο του όγκου. Η μέση τιμή, η λοξότητα και η εντροπία του ADC είναι πολύτιμες παράμετροι που συσχετίζονται με παθολογικό χαρακτηρισμό των όγκων του μαστού. Αυτές οι 3 ADC παράμετροι αύξησαν σημαντικά την ποσοτική διαγνωστική απόδοση της DWI του μαστού και πιθανότατα να είναι αποτελεσματικές παράμετροι όσον αφορά τη διάκριση μεταξύ καλοήθων και κακοήθων αλλοιώσεων του μαστού Μελλοντικές προσπάθειες πρόκειται να εστιάσουν στη διερεύνηση της συσχέτισης των εξαχθέντων χαρακτηριστικών υφής με ιστοπαθολογικούς δείκτες, με σκοπό την περαιτέρω επιβεβαίωση των προτεινόμενων προσεγγίσεων και ενδεχομένως την χρήση συγκεκριμένων χαρακτηριστικών υφής ως μη επεμβατικών προγνωστικών δεικτών καρκίνου του μαστού.

Silicon carbide (SiC) integrated circuits (ICs) can enable the emergence of robust and reliable systems, including data acquisition and on-site control for extreme environments with high temperature and high radiation such as deep earth drilling, space and aviation, electric and hybrid vehicles, and combustion engines. In particular, SiC ICs provide significant benefit by reducing power dissipation and leakage current at temperatures above 300 °C compared to the Si counterpart. In fact, Si-based ICs have a limited maximum operating temperature which is around 300 °C for silicon on insulator (SOI). Owing to its superior material properties such as wide bandgap, three times larger than Silicon, and low intrinsic carrier concentration, SiC is an excellent candidate for high-temperature applications. In this thesis, analog and mixed-signal circuits have been implemented using SiC bipolar technology, including bandgap references, amplifiers, a master-slave comparator, an 8-bit R-2R ladder-based digital-to-analog converter (DAC), a 4-bit flash analog-to-digital converter (ADC), and a 10-bit successive-approximation-register (SAR) ADC. Spice models were developed at binned temperature points from room temperature to 500 °C, to simulate and predict the circuits’ behavior with temperature variation. The high-temperature performance of the fabricated chips has been investigated and verified over a wide temperature range from 25 °C to 500 °C. A stable gain of 39 dB was measured in the temperature range from 25 °C up to 500 °C for the inverting operational amplifier with ideal closed-loop gain of 40 dB. Although the circuit design in an immature SiC bipolar technology is challenging due to the low current gain of the transistors and lack of complete AC models, various circuit techniques have been applied to mitigate these problems. This thesis details the challenges faced and methods employed for device modeling, integrated circuit design, layout implementation and finally performance verification using on-wafer characterization of the fabricated SiC ICs over a wide temperature range. / <p>QC 20170905</p>