Tesis por compendio / [ES] La Tomografía por Emisión de Positrones (PET) es una potente técnica de imagen que proporciona mediante el uso de radiofármacos específicos medidas cuantitativas de los procesos biológicos y fisiológicos que tienen lugar en el organismo a nivel molecular. Las imágenes PET proporcionan información funcional que permite el diagnóstico precoz y el seguimiento personalizado del tratamiento terapéutico. La PET tiene aplicaciones en diversas áreas clínicas y de investigación, como la oncología, la neurología o la cardiología, entre otras. Los esfuerzos por mejorar las prestaciones de los sistemas PET se centran en aumentar su sensibilidad y calidad de imagen, lo que permite una evaluación clínica más precisa. En las imágenes PET, se inyecta al paciente un radiotrazador marcado con un radionúclido emisor de positrones que se distribuye por todo el cuerpo. Durante la desintegración radiactiva del trazador, el isótopo emite un positrón que se aniquila con un electrón del tejido circundante, generando dos rayos gamma de 511 keV emitidos a aproximadamente 180º. La técnica PET se basa por tanto en la detección simultánea de estos dos rayos gamma, denominados fotones de aniquilación, empleando habitualmente un anillo de detectores alrededor del paciente. Mejorando el diseño y el rendimiento de estos detectores, se mejoran las capacidades diagnósticas que ofrece la imagen PET. Para aumentar el rendimiento, se ha sugerido utilizar detectores basados en diseños de cristales monolíticos, debido a sus ventajas en comparación con los detectores pixelados. Sin embargo, su implementación en escáneres comerciales requiere superar algunos retos relacionados principalmente con los métodos de posicionamiento y los procedimientos de calibración necesarios para proporcionar las coordenadas de impacto del fotón de aniquilación y el tiempo de llegada de los fotones. Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo y validación experimental de metodologías para la determinación precisa de esta información en detectores monolíticos, haciendo hincapié en su aplicación práctica también a sistemas PET completos. Durante esta tesis se han estudiado los principios fundamentales de los detectores PET monolíticos para comprender su comportamiento y limitaciones. En primer lugar, se han considerado las configuraciones típicas de detectores monolíticos basadas en bloques de centelleo continuo acoplados a matrices de SiPMs planas; además, también se han evaluado y validado otros enfoques novedosos. Se han desarrollado dos metodologías principales, una basada en técnicas analíticas y otra en algoritmos de Aprendizaje Profundo, para el posicionamiento 3D de la interacción del fotón con el fin de aumentar el rendimiento global del detector. Finalmente, los métodos propuestos han sido validados a nivel de detector, pero también en diferentes escáneres PET desarrollados en i3M. La presente tesis se basa en un compendio de los artículos más relevantes publicados en revistas revisadas por pares por el doctorando y está organizada de la siguiente manera. El Capítulo I presenta una introducción al trabajo de la tesis, compuesto por tres secciones: Imagen Médica, principios de la Tomografía por Emisión de Positrones y, Estimación de posición y calibración en detectores monolíticos. El Capítulo II contiene los objetivos específicos de esta tesis y las principales contribuciones del candidato a este campo. Este capítulo también incluye algunas metodologías y resultados recientes que aún no han sido publicados. El Capítulo III colecciona una copia de los cuatro artículos publicados seleccionados para el compendio, en los que el candidato es el primer autor [1]-[4]. En el Capítulo IV se discuten los principales resultados y conclusiones alcanzados durante la tesis. Por último, el Capítulo V presenta la discusión de esta tesis, resumiendo las principales contribuciones y destacando los logros científicos. / [CAT] La Tomografia per Emissió de Positrons (PET) és una potent tècnica d'imatge que proporciona mitjançant l'ús de radiofàrmacs específics mesures quantitatives dels processos biològics i fisiològics que tenen lloc en l'organisme a nivell molecular. Les imatges PET proporcionen informació funcional que permet el diagnòstic precoç i el seguiment personalitzat del tractament terapèutic. La PET té aplicacions en diverses àrees cliniques y d¿investigació, com l'oncologia, la neurologia o la cardiologia, entre altres. Els esforços per millorar les prestacions dels sistemes PET se centren en millorar la seua sensibilitat i qualitat d'imatge, la qual cosa permet una avaluació clínica més precisa més precís. En les imatges PET, s'injecta al pacient un radiotraçador marcat amb un radionúclid emissor de positrons que es distribueix per tot el cos. Durant la desintegració radioactiva del traçador, l'isòtop emet un positró que s'aniquila amb un electró del teixit circumdant, generant dos raigs gamma de 511 keV emesos a aproximadament 180º. La tècnica PET es basa per tant en la detecció simultània d'aquests dos raigs gamma, denominats fotons d'anihilació, emprant habitualment un anell de detectors al voltant del pacient. Millorant el disseny i el rendiment d'aquests detectors, es millora les capacitats diagnòstiques que ofereix la imatge PET. Per a augmentar el rendiment, s'ha suggerit utilitzar detectors basats en dissenys de cristalls monolítics, a causa dels seus avantatges en comparació amb els detectors pixelats. No obstant això, la seua implementació en escàners comercials requereix superar alguns reptes relacionats principalment amb els mètodes de posicionament i els procediments de calibració necessaris per a proporcionar les coordenades d'impacte del fotó d'anihilació i el temps d'arribada dels fotons. Aquesta tesi doctoral se centra en el desenvolupament i validació experimental de metodologies per a la determinació precisa d'aquesta informació en detectors monolítics, posant l'accent en la seua aplicació pràctica també a sistemes PET complets. Durant aquesta tesi s'han estudiat els principis fonamentals dels detectors PET monolítics per a comprendre el seu comportament i limitacions. En primer lloc, s'han considerat les configuracions típiques de detectors monolítics basats en blocs de centellege continu acoblats a matrius SiPM planes; a més, també s'han evaluat i validat altres enfocaments nous. S'han desenvolupat dues metodologies principals, una basada en tècniques analítiques i una altra en algoritmes d'Aprenentatge Profund, pel posicionament 3D de la interacció del fotó amb la finalitat d'augmentar el rendiment global del detector. Finalment, els mètodes proposats han sigut validats a nivell de detector però també en diferents escàners PET desenvolupats en i3M. La present tesi es basa en un compendi dels articles més rellevants publicats en revistes revisades per parells pel doctorand i està organitzada de la següent manera. El Capítol I presenta una introducció al treball de tesi, compost per tres seccions: Imatge Mèdica, principis de la Tomografia per Emissió de Positrons i, Estimació de posició i calibració en detectors monolítics. El Capítol II conté els objectius específics d'aquesta tesi i les principals contribucions del candidat a aquest camp. Aquest capítol també inclou algunes metodologies i resultats recents que encara no han sigut publicats. El Capítol III col·lecciona una còpia dels quatre articles publicats seleccionats pel compendi, en els quals el candidat és el primer autor [1]-[4]. En el Capítol IV es discuteixen els principals resultats i conclusions aconseguits durant la tesi. Finalment, el Capítol V presenta la discussió d'aquesta tesi, resumint les principals contribucions i destacant els assoliments científics. / [EN] Positron Emission Tomography (PET) is a powerful imaging technique that provides quantitative measurements of biological and physiological processes occurring within the body at the molecular level by using specific radiopharmaceuticals. PET imaging returns functional information that allows for early diagnosis and personalized therapy treatment follow up. It has applications in several research and clinical areas, such as oncology, neurology or cardiology, among others. Efforts to improve PET systems performance are focused on increasing their sensitivity and image quality, allowing for more accurate clinical assessments. In PET imaging, a radiotracer labeled with a positron-emitting radionuclide is injected to the patient and consequently, distributed throughout the body. During the radiotracer decay, the isotope emits a positron that annihilates with an electron of the surrounding tissues, generating two 511 keV gamma-rays emitted at approximately 180º. The PET technique is based therefore on the simultaneous detection of these two gamma-rays, called annihilation photons, by usually employing a ring of detectors around the patient. Improving the design and performance of these detectors, increases the diagnostic capabilities of PET imaging. To boost PET performance, it has been suggested to use detectors based on monolithic crystals designs, due to their advantages compared to pixelated detectors. However, their implementation in commercial scanners requires overcoming some challenges mostly related to photon impact positioning methods and calibration procedures to provide the impact coordinates and time of arrival of the annihilation photons. This PhD thesis focuses on the development and experimental validation of methodologies for an accurate determination of this information in monolithic detectors, emphasizing in their practical application to full PET systems. During this thesis, the main principles of monolithic-based PET detectors have been studied to understand their behavior and limitations. Typical monolithic detector configurations based on continuous scintillation blocks coupled to flat SiPM arrays have been first considered; additionally, other novel approaches have been also validated. Two main methodologies for 3D photon interaction positioning, one based on analytical methods and another based on Deep Learning algorithms, have been developed to increase the overall detector performance. The proposed methods have been validated at the detector level but also in different PET scanners developed by our group. The present thesis is based on a compendium of the most relevant papers published in peer-reviewed journals by the PhD candidate and is organized as follows. Chapter I presents an introduction to the thesis work, composed by three sections: Medical Imaging, principles of Positron Emission Tomography and, Position estimation and calibration in monolithic-based detectors. Chapter II contains the specific objectives of this thesis and the main contributions of the candidate to the field. This chapter also includes some recent methodologies and results that have not yet been published. Chapter III collects an author copy of the four published articles selected for the compendium, in which the candidate is the first author [1]-[4]. In Chapter IV the main results and conclusion achieved during the thesis are discussed. Finally, Chapter V presents the discussion of this thesis, summarizing the main contributions and highlighting the scientific achievements. / Freire López-Fando, M. (2023). Implementation of New Algorithms for an Accurate Gamma-Ray Impact Determination in Scintillation Monolithic Blocks for PET Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196084 / Compendio

Tesis por compendio / [ES] El control de ruido ambiental es una preocupación de primera magnitud para las sociedades avanzadas, debido a los problemas derivados que ocasionan en la salud de los ciudadanos. Una de las soluciones más extendidas para el control del ruido en su fase de transmisión en la utilización de pantallas acústicas. La aparición de nuevos materiales formados por redes de dispersores acústicos aislados, denominados cristales de sonido, está revolucionando el campo del apantallamiento acústico, posibilitando el avance tecnológico de esta área. Así, en los últimos años, las pantallas acústicas basadas en cristales de sonido se han posicionado como una alternativa viable a las pantallas acústicas tradicionales, puesto que ofrecen múltiples ventajas frente a las soluciones actuales. En el presente trabajo se muestra primeramente una recopilación de los avances realizados en el campo del apantallamiento acústico mediante esta tipología de pantallas. No obstante, aún existen líneas de investigación abiertas en esta área, que es necesario abordar para conseguir el objetivo de aplicar esta tecnología como atenuadores de sonido en las infraestructuras de transporte. Durante el periodo de formación de la doctoranda, se ha trabajado en algunas de las líneas de investigación activas en este campo del apantallamiento acústico. Una de estas investigaciones condujo al descubrimiento de interferencias entre los efectos de la resonancia y la dispersión múltiple de los cristales de sonido cuando estos efectos se producen en rangos de frecuencia cercanos. También hemos diseñado un nuevo dispositivo de reducción de ruido basado en cristales de sonido, utilizando herramientas de optimización multiobjetivo, que permitan apantallar y reflejar de forma difusa el ruido. El empleo de esta nueva herramienta de diseño identificó la necesidad de realizar un estudio comparativo de los métodos de simulación más utilizados para estimar el rendimiento de los dispositivos basados en cristales de sonido. Por último, hemos realizado un estudio psicoacústico para determinar la percepción de la reducción de molestia que proporcionan las pantallas acústicas basadas en cristales sonido y las barreras tradicionales, determinando si los parámetros objetivos que evalúan su rendimiento coinciden con la respuesta subjetiva de los usuarios. / [CA] El control de soroll ambiental és una preocupació de primera magnitud per a les societats avançades, a causa dels problemes derivats que ocasionen en la salut dels ciutadans. Una de les solucions més esteses per al control del soroll en la seua fase de transmissió en la utilització de pantalles acústiques. L'aparició de nous materials formats per xarxes de dispersors acústics aïllats, denominats cristals de so, està revolucionant el camp de l'apantallament acústic, possibilitant l'avanç tecnològic d'esta àrea. Així, en els últims anys, les pantalles acústiques basades en cristals de so s'han posicionat com una alternativa viable a les pantalles acústiques tradicionals, ja que oferixen múltiples avantatges enfront de les solucions actuals. En el present treball es mostra primerament una recopilació dels avanços realitzats en el camp de l'apantallament acústic per mitjà d'esta tipologia de pantalles. No obstant això, encara hi ha línies d'investigació obertes en esta àrea, que és necessari abordar per a aconseguir l'objectiu d'aplicar esta tecnologia com a atenuadors de so en les infraestructures de transport. Durant el període de formació de la doctoranda, s'ha treballat en algunes de les línies d'investigació actives en este camp de l'apantallament acústic. Una d'estes investigacions va conduir al descobriment d'interferències entre els efectes de la ressonància i la dispersió múltiple dels cristals de so quan estos efectes es produïxen en rangs de freqüència pròxims. També hem dissenyat un nou dispositiu de reducció de soroll basat en cristals de so, utilitzant ferramentes d'optimització multiobjectiu, que permeten apantallar i reflectir de forma difusa el soroll. L'ús d'esta nova ferramenta de disseny va identificar la necessitat de realitzar un estudi comparatiu dels mètodes de simulació més utilitzats per a estimar el rendiment dels dispositius basats en cristals de so. Finalment, hem realitzat un estudi psicoacústic per a determinar la percepció de la reducció de molèstia que proporcionen les pantalles acústiques basades en cristals so i les barreres tradicionals, determinant si els paràmetres objectius que avaluen el seu rendiment coincidixen amb la resposta subjectiva dels usuaris. / [EN] Control of environmental noise is a major concern for advanced societies because of the resulting problems for citizens' health. One of the most widespread solutions for controlling noise in its transmission phase is the use of acoustic screens. The emergence of new materials made up of arrays of isolated acoustic scatterers, called sonic crystals, is revolutionizing the field of acoustic screening. In recent years, acoustic screens based on sonic crystals have positioned themselves as a viable alternative to traditional acoustic screens, as they offer multiple advantages over current traditional solutions. This Doctoral dissertation compiles the advances in the field of acoustic screening using this type of sonic crystals. However, there is still active research in this area which needs to be addressed and studied in order to apply this technology as noise reduction devices in transport infrastructures. Therefore, during the PhD student's training period, we have researched the acoustic phenomena produced by isolated scatterers in order to better understand the physical phenomena behind the lasts designs of this type of screen. One of these researches led to the discovery of interferences between the effects of resonance and multiple scattering of sonic crystals when occurring in nearby frequency ranges. Also we have designed a new noise reduction device based on sonic crystals, using multi-objective optimization tools, which would block and diffuse the noise. This new designing tool identified the need for a comparative study of the most commonly used simulation methods to estimate the performance of devices based on sonic crystals. Finally, we have carried out a psychoacoustic study that determined the perception of the annoyance reduction provided by acoustic screens based on sonic crystals and traditional barriers, determining whether the objective parameters that evaluate their performance match to the subjective response of the users. / Agradezco al Ministerio de Ciencia e Innovación por la ayuda concedida dentro del programa Doctores Industriales. Asimismo, a mi tutor en empresa Dr. Juan José Martín Pino, por posibilitar la realización de esta investigación dentro de la empresa BECSA. Al Departamento de Física Aplicada de la Universitat Politècnica de València, a la Comisión Académica del Programa de Doctorado de Matemáticas y al Centro de Tecnologías Físicas: Acústica, Materiales y Astrofísica. / Peiró Torres, MDP. (2021). Research of the acoustic phenomenon produced by isolated scatterers and its applicability as a noise reducing device in transport infrastructures. Search for an optimised and sustainable design [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/164903 / Compendio

Tesis por compendio / [ES] La fotónica de silicio es una tecnología emergente clave en redes de comunicación e interconexiones de centros de datos de nueva generación, entre otros. Su éxito se basa en la utilización de plataformas compatibles con la tecnología CMOS para la integración de circuitos ópticos en dispositivos pequeños para una producción a gran escala a bajo coste. Dentro de este campo, los interferómetros integrados juegan un papel crucial en el desarrollo de diversas aplicaciones fotónicas en un chip como sensores biológicos, moduladores electro-ópticos, conmutadores totalmente ópticos, circuitos programables o sistemas LiDAR, entre otros. Sin embargo, es bien sabido que la interferometría óptica suele requerir caminos de interacción muy largos, lo que dificulta su integración en espacios muy compactos. Para mitigar algunas de estas limitaciones de tamaño, surgieron varios enfoques, incluyendo materiales sofisticados o estructuras más complejas, que, en principio, redujeron el área de diseño pero a expensas de aumentar los pasos del proceso de fabricación y el coste. Esta tesis tiene como objetivo proporcionar soluciones generales al problema de tamaño típico de los interferómetros ópticos integrados, con el fin de permitir la integración densa de dispositivos basados en silicio. Para ello, aunamos los beneficios tanto de las guías de onda bimodales como de las estructuras periódicas, en términos de la mejora del rendimiento y la posibilidad para diseñar interferómetros monocanal en áreas muy reducidas. Más específicamente, investigamos los efectos dispersivos que aparecen en estructuras menores a la longitud de onda y en las de cristal fotónico, para su implementación en diferentes configuraciones interferométricas bimodales. Además, demostramos varias aplicaciones potenciales como sensores, moduladores y conmutadores en tamaños ultra compactos de unas pocas micras cuadradas. En general, esta tesis propone un nuevo concepto de interferómetro integrado que aborda los requisitos de tamaño de la fotónica actual y abre nuevas vías para futuros dispositivos basados en funcionamiento bimodal. / [CA] La fotònica de silici és una tecnologia emergent clau en xarxes de comunicació i interconnexions de centres de dades de nova generació, entre altres. El seu èxit es basa en la utilització de plataformes compatibles amb la tecnologia CMOS per a la integració de circuits òptics en dispositius diminuts per a una producció a gran escala a baix cost. Dins d'aquest camp, els interferòmetres integrats juguen un paper crucial en el desenvolupament de diverses aplicacions fotòniques en un xip com a sensors biològics, moduladors electro-òptics, commutadors totalment òptics, circuits programables o sistemes LiDAR, entre altres. No obstant això, és ben sabut que la interferometría òptica sol requerir camins d'interacció molt llargs, la qual cosa dificulta la seua integració en espais molt compactes. Per a mitigar algunes d'aquestes limitacions de grandària, van sorgir diversos enfocaments, incloent materials sofisticats o estructures més complexes, que, en principi, van reduir l'àrea de disseny però a costa d'augmentar els processos de fabricació i el cost. Aquesta tesi té com a objectiu proporcionar solucions generals al problema de grandària típica dels interferòmetres òptics integrats, amb la finalitat de permetre la integració densa de dispositius basats en silici. Per a això, combinem els beneficis tant de les guies d'ones bimodals com de les estructures periòdiques, en termes de funcionament d'alt rendiment per a dissenyar interferòmetres monocanal compactes en àrees molt reduïdes. Més específicament, investiguem els efectes dispersius que apareixen en estructures menors a la longitud d'ona i en les de cristall fotònic, per a la seua implementació en diferents configuracions interferomètriques bimodals. A més, vam demostrar diverses aplicacions potencials com a sensors, moduladors i commutadors en grandàries ultres compactes d'unes poques micres cuadrades. En general, aquesta tesi proposa un nou concepte d'interferòmetre integrat que aborda els requisits de grandària de la fotònica actual i obri noves vies per a futurs dispositius basats en funcionament bimodal. / [EN] Silicon photonics is a key emerging technology in next-generation communication networks and data centers interconnects, among others. Its success relies on the ability of using CMOS-compatible platforms for the integration of optical circuits into small devices for a large-scale production at low-cost. Within this field, integrated interferometers play a crucial role in the development of several on-chip photonic applications such as biological sensors, electro-optic modulators, all-optical switches, programmable circuits or LiDAR systems, among others. However, it is well known that optical interferometry usually requires very long interaction paths, which hinders its integration in highly compact footprints. To mitigate some of these size limitations, several approaches emerged including sophisticated materials or more complex structures, which, in principle, reduced the design area but at the expense of increasing fabrication process steps and cost. This thesis aims at providing general solutions to the long-standing size problem typical of optical integrated interferometers, in order to enable the densely integration of silicon-based devices. To this end, we combine the benefits from both bimodal waveguides and periodic structures, in terms of high-performance operation and compactness to design single-channel interferometers in very reduced areas. More specifically, we investigate the dispersive effects that arise from subwavelength grating and photonic crystal structures for their implementation in different bimodal interferometric configurations. Furthermore, we demonstrate various potential applications such as sensors, modulators and switches in ultra-compact footprints of a few square microns. In general, this thesis proposes a new concept of integrated interferometer that addresses the size requirements of current photonics and open up new avenues for future bimodal-operation-based devices. / Financial support is also gratefully acknowledged through postdoctoral FPI grants from Universitat Politècnica de València (PAID-01-18). European Commission through the Horizon 2020 Programme (PHC-634013 PHOCNOSIS project). The authors acknowledge funding from the Generalitat Valenciana through the AVANTI/2019/123, ACIF/2019/009 and PPC/2020/037 grants and from the European Union through the operational program of the European Regional Development Fund (FEDER) of the Valencia Regional Government 2014–2020. / Torrijos Morán, L. (2021). Photonic Applications Based on Bimodal Interferometry in Periodic Integrated Waveguides [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172163 / Compendio