En Tomographie d'Émission par Positrons (TEP), la course à la résolution spatiale nécessite des détecteurs de plus en plus petits, produisant plus de diffusion Compton avec un impact négatif sur l’efficacité de détection du scanner. Plusieurs phénomènes physiques liés à cette diffusion Compton entachent tout traitement des coïncidences multiples d'une erreur difficile à borner et à compenser, tandis que le nombre élevé de combinaisons de détecteurs complexifie exponentiellement le problème. Cette thèse évalue si les réseaux de neurones constituent une alternative aux solutions existantes, problématiques parce que statistiquement incertaines ou complexes à mettre en œuvre. La thèse réalise une preuve de concept pour traiter les coïncidences triples et les inclure dans le processus de reconstruction, augmentant l'efficacité avec un minimum d'impact sur la qualité des images. L'atteinte des objectifs est validée via différents critères de performance comme le gain d'efficacité, la qualité de l'image et le taux de succès du calcul de la ligne de réponse (LOR), mesurés en priorité sur des données réelles. Des études paramétriques montrent le comportement général de la solution : un réseau entraîné avec une source générique démontre pour le taux d'identification de la LOR une bonne indépendance à la résolution en énergie ainsi qu'à la géométrie des détecteurs, du scanner et de la source, pourvu que l'on ait prétraité au maximum les données pour simplifier la tâche du réseau. Cette indépendance, qui n'existe en général pas dans les solutions existantes, laisse présager d'un meilleur potentiel de généralisation à d'autres scanners. Pour les données réelles du scanner LabPET[indice supérieur TM], la méthode atteint un gain d'efficacité aux alentours de 50%, présente une dégradation de résolution acceptable et réussit à recouvrer le contraste de manière similaire aux images de référence, en plus de fonctionner en temps réel. Enfin, plusieurs améliorations sont anticipées.

Τα συστήματα ιατρικής απεικόνισης αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο της σύγχρονης ιατρικής επιστήμης. H ικανότητα να απεικονίζονται δομές και λειτουργικότητα ενός οργανισμού, χωρίς επεμβατικές τεχνικές, δίνει πληροφορίες, όχι μόνο για την διάγνωση και την θεραπεία, αλλά και πολύτιμα στοιχειά για την μελέτη και την εξέλιξη της επιστήμης. Η έρευνα επάνω στην ιατρική απεικόνιση καλύπτει ένα ευρύ φάσμα, από την ακτινοδιαγνωστική μέχρι την μαγνητική τομογραφία. Η εξέλιξη της τεχνολογίας μας δίνει συστήματα όπως Υπολογιστική τομογραφία, SPECT, Ανιχνευτές εξαΰλωσης ποζιτρονίου και Μαγνητική τομογραφία. Στις περισσότερες των περιπτώσεων, μηχανήματα και τεχνικές συνδυάζονται, με γνώμονα τη βελτιστοποίηση της διαγνωστικής ποιότητας, λαμβάνοντας τα θετικά που μπορεί να δώσει μία τεχνική, και συμπιέζοντας τα αρνητικά χαρακτηριστικά αμφότερα. Ο στόχος είναι να λαμβάνουμε τα καλύτερα δυνατά αποτελέσματα, με μία μόνο εξέταση για μεγάλο εύρος ζητημάτων. Η ιατρική απεικόνιση δεν στοχεύει μόνο στην μορφολογική και ανατομική πληροφορία, αλλά επεκτείνεται και στην απεικόνιση της λειτουργικότητας του οργανισμού. Ως παράδειγμα μπορούμε να θέσουμε το εξής: Η αυξημένη κατανάλωση γλυκόζης από τα καρκινικά κύτταρα, δίνει την ευκαιρία με την χρήση του FDG, να απεικονιστούν οι κακοήθεις όγκοι με ένα σύστημα PET. Από την άλλη, η ανατομική πληροφορία που δίνει ένα απεικονιστικό σύστημα αποτελεί σημαντικό κριτήριο και για την διάγνωση αλλά και για την θεραπεία. Για αυτόν τον λόγο έχουν αναπτυχθεί υβριδικά μοντέλα απεικόνισης. Το πιο διαδεδομένο υβριδικό σύστημα ιατρικής απεικόνισης είναι το PET‐CT, που έχει καθολική αποδοχή στην σύγχρονη κλινική πράξη. Με την εφαρμογή του υπολογιστικού τομογράφου, έχουμε αποτελέσματα στον τομέα των δομικών πληροφοριών ενός οργανισμού, και με το PET, λαμβάνεται πληροφορία, σχετικά με την λειτουργικότητα του οργανισμού προς εξέταση. Επίσης ένα πολύ σημαντικό επίτευγμα είναι ότι με την χρήση του CT, υπάρχει δυνατότητα διόρθωσης της απορρόφησης από τους ιστούς του ασθενή. Συνδυασμός εκτός από PET‐CT, μπορεί να υπάρξει και με το έτερο σύστημα πυρηνικής, το SPECT. Η σημερινή εποχή επιβάλει να μειωθεί όσο γίνεται η δόση που αποδίδεται ανά ασθενή ανά εξέταση. Ο χρυσός κανόνας της ακτινοπροστασίας είναι « τόσο λίγο όσο λογικά επιτρεπτό». Αυτός ο κανόνας φέρνει στο προσκήνιο συστήματα με χαμηλή ή και μηδενική επιβάρυνση δόσης για τον ασθενή. Μια τεχνική από αυτές είναι και η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού, γνωστή και ως μαγνητική τομογραφία. Πρόκειται για ένα σύστημα το οποίο δεν επιφέρει βιολογικά 6 προβλήματα στον άνθρωπο, και είναι ικανό να παράγει δεδομένα και ανατομικά αλλά και λειτουργικά. Ο μαγνητικός βασίζει την λειτουργία του στην χρήση μεγάλων ισχυρών ηλεκτρομαγνητών με σκοπό να φέρει τους πύρινες των ατόμων του υδρογόνου σε κατάσταση πόλωσης. Πρόκειται για ένα σύστημα υψηλής τεχνολογίας. Τα επιτεύγματα του, σε συνδυασμό με την μηδενική επιβάρυνση δόσης στον ασθενή, το κάνει νούμερο ένα προτίμηση στην ιατρική απεικόνιση. Όμως παρόλο που ο μαγνητικός τομογράφος αποτελεί το πρότυπο του τρόπου αντιμετώπισης των συστημάτων ιατρικής απεικόνισης, οι δυνατότητες του είναι περιορισμένες. Για να είναι όμως στο προσκήνιο ένα τέτοιο σύστημα, πρέπει να εξελιχτεί και να συνδυαστεί με κάποιο άλλο. Με τα σημερινά τεχνολογικά δεδομένα, το πρόβλημα του hardware έχει ξεπεραστεί, και οδήγησε στην δημιουργία του PET‐MRI. Με ταυτόχρονη λήψη δεδομένων και από τα δύο συστήματα, μπορούμε να έχουμε πολλές πληροφορίες για τη λειτουργικότητα αλλά και τη δομή του οργανισμού. Μία τέτοια τεχνική θα έχει ευρύ φάσμα εφαρμογών, και η κατάργηση του CT, δίνει ελάττωση της δόσης, που λαμβάνεται από κάθε ασθενή. Το σύστημα εκπομπής ποζιτρονίων βασίζεται σε ισότοπα, που εκπέμπουν ποζιτρόνια. Όπως γνωρίζουμε, όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται σε μαγνητικό πεδίο με ταχύτητα u, δέχεται μία δύναμη η οποία αναγκάζει το φορτισμένο σωμάτιο να ακολουθήσει μία προκαθορισμένη τροχιά. Αυτό είναι το θέμα, στο οποίο εστιάζει αυτή η εργασία. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να καταλάβουμε και να μετρήσουμε την επίδραση του μαγνητικού πεδίου στα ποζιτρόνια. Ένας από αυτούς, είναι να κάνουμε μετρήσεις απευθείας σε μία πειραματική διάταξη PET‐MR. Το εμπόδιο είναι ότι μία τέτοια μέθοδος δεν είναι ευέλικτη. Ο μαγνήτης και η ένταση του δεν αλλάζουν εύκολα, και τα συστηματικά λάθη των ανιχνευτών θα δίνουν πάντα μεγάλα σφάλματα στα αποτελέσματα μας. Μία Monte Carlo μέθοδος από την άλλη, βασιζόμενη στις γνωστές φυσικές ιδιότητες, την χρήση μαθηματικών δεδομένων και την χρήση τυχαίων αριθμών, μπορεί να δώσει αποτελέσματα σχεδόν όμοια με αυτά που δίνονται από ένα υπαρκτό σύστημα. Σε αντίθεση με τις πειραματικές εφαρμογές, οι προσομοιώσεις Monte Carlo δεν περιορίζονται στην εξαγωγή μόνο μιας τελικής τιμής, αλλά επεκτείνονται και σε αποτελέσματα σχετικά με επιμέρους συστήματα και φυσικές αλληλεπιδράσεις. Επίσης, με μία Monte Carlo τεχνική, μπορείς να ορίσει ο χρήστης οποιαδήποτε γεωμετρία, με τα χαρακτηριστικά που αυτός επιθυμεί και να λάβει αποτελέσματα παρόμοια με αυτά του πραγματικού συστήματος. Αυτό βοηθά και την κατανόηση αλλά και στο σχεδιασμό και εξέλιξη νέων συστημάτων. Ένα σύστημα Monte Carlo είναι και το GATE. Το GATE αποτελεί μία υπο‐εφαρμογή του συστήματος Geant4, το οποίο δανείζει την φυσική του. Για χρόνια το GATE χρησιμοποιείται για τη μελέτη συστημάτων πυρηνικής Ιατρικής. Πλέον, συστήματα CT μπορούν να περιγραφούν σε μία 7 προσομοίωση και να προσομοιωθούν. Η δημιουργία συστημάτων PET‐MRI, δεν φέρνει προκλήσεις μόνο στον τομέα των πειραματικών εφαρμογών, αλλά και στον χώρο των προσομοιώσεων Monte Carlo. Επίσης το GATE είναι ένα πακέτο προσομοίωσης Monte Carlo ευρείας χρήσης , με συστηματική και μεθοδική ανανέωσή του. Οι στόχοι αυτής της εργασίας είναι η ενσωμάτωση νέων χαρακτηριστικών σε αυτό το πλήρως ανεπτυγμένο λογισμικό, και η εξαγωγή αποτελεσμάτων με γνώμονα πάντα την μελέτη κίνησης των ποζιτρονίων μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Οι αλλαγές οι οποίες πραγματοποιήθηκαν στο πακέτο Monte Carlo GATE, επιτρέπουν την εφαρμογή μαγνητικού πεδίου και σε όλη την έκταση του εικονικού χώρου αλλά και τοπικά. Μεγάλο πλεονέκτημα λαμβάνουμε από μία συγκεκριμένη αλλαγή που έγινε στο κώδικά και αφορά την καταγραφή και απεικόνιση της τρισδιάστατης κατανομής εξαϋλώσεων ποζιτρονίων, και η δυνατότητα καταγραφής δεδομένων, που έχουν να κάνουν με την χωρική κατανομή των εξαϋλώσεων. Επίσης για την αξιοποίηση αυτών των νέων χαρακτηριστικών, δημιουργήσαμε πειραματική διάταξη με χρήση διαφόρων ισοτόπων και εντάσεων μαγνητικού πεδίου. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι η μέση απόσταση εξαΰλωσης μειώνεται, με την χρήση μεγαλύτερου σε ένταση μαγνητικού πεδίου. Επίσης ένα ενθαρρυντικό στοιχειό είναι ότι ισότοπα με μεγάλη μέση απόσταση εξαΰλωσης παρουσιάζουν σημαντική βελτίωση σε μαγνητικό πεδίο, το οποίο επιβάλει την αναθεώρηση των ενδοιασμών για την χρήση τους ή μη σε απεικόνιση. / Medical imaging systems are the foundation stone of modern medical science. The capability to visualize the structure and the functionality of a human body, without invasive techniques, gives capabilities not only to the diagnosis and treatment, but also to the study of medicine. In this direction medical physics science is coordinated. From the simple X‐ray to Magnetic Resonance Imaging technology, allot of research has been made. These days technology gives imaging techniques such as Computed tomography, Single Photon Emission computed tomography, Positron Emission Tomography, and MRI. Most of the cases two or more imaging systems are combined to increase the diagnostic quality, by taking advantage of their capabilities and suppress each other disadvantages. The goal is to get with a single examination the best results, on any aspect. A medical imaging doesn’t focus only to human body’s morphology but also to functionality. Imaging of the metabolic system is the field of modern research. As an example, the higher metabolism of Glucose from cancer cells, gives the opportunity to visualize cancer tissues with a PET system. On the other hand anatomical information also must be given to the therapist in order to make the best diagnosis and treatment to the patient. The most known, globally, hybrid system is PET‐CT hybrid system. This medical imaging system brings morphological information about the body structure, plus with the use of PET system, it brings functional information about the metabolic procedure we are interested to investigate. Also, a contribution is happening in this type of system, where computed tomography contributes to PET imaging, and corrects the attenuation of photons by human body. Of course this technique applied to another system, the SPECT‐CT, exactly for the same reasons. The new era brings the necessity to reduce absorbed dose by the patient. The golden standard is “As low as reasonably achievable”. This is the motive to bring ideas and systems with less or zero dose deposition. One of them is Magnetic Resonance Imaging. Is a system almost not effective to human’s body, capable of producing both anatomical and functional information about the subject of study. This system is based on the use of large, very powerful magnets, in order to bring atoms of hydrogen in a state of polarization. Is a very sophisticated system, and delicate. The benefit of this system, plus the lack of dose, makes it No 1 to medical imaging science. The difference is that only one machine cannot project anything, and the option, even they are very wide, are limited. These days, when difficulties on PET imaging system’s hardware passed, a new system, called PET/MR was created. This system combination brings good representation of morphological data, but the true benefit is that both systems can bring results of human’s functionality. The variation of applications may be bigger, and diagnosis could be done only from one medical imaging system, with the lowest dose absorption that could be done. On the other hand Positron emission tomography is based on radioisotopes, which produce the electron’s antiparticle. Combination of these two systems brings a question about positrons. As we all know, if a charged particle moves inside a magnetic field, a force is applied on it, make it to change its random track, to another one, coordinated with the magnetic field. This question comes to answer this project. There are several ways to understand the difference created by the presence of magnetic field. One of them is to make experimental calculations, with a PET/MR system and to measure the contribution. The obstacle is that the method is not flexible. The magnetic field strength is not adjustable, and the system always will have random and systematic error. The other option is simulate this procedure. A Monte Carlo simulation is based on physical processes, by the use of mathematical functions, and the contribution of a random number generator, to bring results with very similar and realistic results as the original could produce. By comparison with the experimental method, with Monte Carlo simulations, user cannot only see the output, but also the previous parts of interactions. Also the flexibility of choices is limited only by user’s imagination. Many geometries can be used, with different magnetic field strength each time, and to give such reliable results, as the original system. Many medical imaging systems were developed by use of such simulation systems. One of these Monte Carlo simulation toolkits is GATE. GATE is the acronym for Geant4 application for emission tomography. As the acronym sais is an application based on Geant4, which is the “mother” Monte Carlo simulation toolkit. For years GATE used in order to study upon the simulations of nuclear medical imaging (i.e. PET & SPECT). Recently computed tomography was taken under consideration in this toolkit, with more updates to come. The use of PET/MR, creates a new aim to target for, not only in instrumental development, but also in Monte Carlo simulation development. Also GATE is a widely known simulation toolkit, used all over the world, and with periodical improvements. Monte Carlo simulation is a part of medical physics research, and GATE is a frequently used simulation toolkit. This study is the first step, for a field of research that is still new and partially explored. The improvement of these simulation toolkits bring new data to consider about, and new goals to achieve.

Orientador: Marco Aurelio Pinheiro Lima / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-07T11:03:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Arretche_Felipe_D.pdf: 1126375 bytes, checksum: 09c67543e39406702bd45e2373d9c616 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Nesta tese investigamos a modelagem teórica de colisões pósitron-molécula no regime de baixas energias utilizando o método Schwinger multicanal. Nosso objetivo inicial foi sofisticar o procedimento de cálculo do parâmetro de aniquilação¸ Zeff . Esta quantidade é diretamente proporcional a taxa de aniquilação de pósitrons com elétrons da nuvem molecular. Infelizmente o método subestima Zeff com relação aos dados experimentais. Uma investigação mais detalhada sugere que esta deficiência está ligada a uma descrição pobre do cúspide elétron-pósitron na função de onda de espalhamento. Para tanto, inserimos um potencial complexo tipo delta de Dirac na Hamiltoniana de espalhamento com o objetivo de melhorar o cálculo de aniquilação direta e possivelmente adaptá-lo para descrever o canal de formação do positrônio real. Aplicação a sistemas modelo como átomo de He e molécula de H2 mostraram que esta técnica alternativa produz resultados similares ao cálculo perturbativo usual. Neste sentido a discrepância entre o parâmetro de aniquilação teórico obtido via método Schwinger multicanal e os dados experimentais continua em aberto. Recentemente o grupo da Universidade de San Diego, na Califórnia, desenvolveu um aparato experimental para medir seções de choque de excitação eletrônica de átomos e moléculas por impacto de pósitrons. O método Schwinger multicanal é o único que tem atacado sistematicamente este problema para moléculas na literatura. Neste trabalho, damos continuidade a este programa de pesquisa calculando seções de choque de excitação eletrônica para as moléculas de H2 e CO com variados níveis de aproximação. Nossos resultados indicam que as seções de choque integrais são insensíveis ao nível de acoplamento multicanal utilizado na modelagem da colisão e que efeitos de polarização podem ser particularmente importantes para energias imediatamente acima dos limiares de excitação eletrônica. Finalmente, e este sem dúvida é o maior resultado desta tese, aprendemos a tratar as bases variacionais usadas no cálculo de espalhamento. A evidência de que tal nível de maturidade foi atingido é a convergência das seções de choque com relação aos métodos de cálculo dos elementos de matriz da função de Green, anteriormente obtida somente por ajuste (popularmente conhecido como "chute") do conjunto de primitivas Gaussianas utilizado no cálculo de espalhamento / Abstract: In this thesis we investigate the theoretical modelling of positron-molecule collisions in low energy regime using the Schwinger multichannel method. Our initial objective was to sophisticate the procedure of calculation of the annihilation parameter Zeff. This quantity is directly proportional to the annihilation rate of positrons with molecular cloud electrons. Unhapilly the method underestimates Zeff compared to the experimental data. A more detailed investigation suggests that this deficiency is connected with a poor description of the electronpositron cusp of the scattering wave function. To this end, we inserted a complex potential of Dirac delta type in the scattering Hamiltonian with the major objective of improving the direct annihilation calculation and possibly to adaptate it to describe the real positronium formation channel. Aplication to model systems like He atom and H2 molecule showed that this alternative technique produce similar results compared to the usual perturbative calculation. In this sense, the discrepancy between the theoretical annihilation parameter generated by Schwinger multichannel method and the experimental data remains as an open problem. Recently the research group of San Diego University, in California, developed an experimental apparatus to measure electronic excitation cross sections for atoms and molecules by positron impact. The Schwinger multichannel method is the only that has sistematicaly attacked the problem for molecules in the literature. In this work, we continue this research program calculating electronic excitation cross sections for H2 and CO molecules with varied degrees of approximation. Our results indicate that integral cross sections are insensible to the level of multichannel coupling used in the collision model and that polarization effects can be particularly relevant for energies immediately above electronic excitation thresholds. Finally, and this doubtless is the greater result of this thesis, we learnt to treat the variational basis used in the scattering calculation. The evidence that such level of maturity was reached is the convergence of the cross sections by the methods of computation of the Green¿s function matrix elements, obtained before only by "guessing" of the set of primitive Gaussians employed in the scattering calculation / Doutorado / Física Atômica e Molecular / Doutor em Ciências

La tomographie d’émission par positrons est une technique d’imagerie médicale importante dans les domaines clinique et préclinique. Elle permet de diagnostiquer des cancers, des maladies cardiovasculaires ou encore des maladies neurodégénératives. Dans le domaine préclinique, la TEP permet de mener des recherches de pointe pour mieux comprendre les métabolismes au niveau moléculaire afin de développer des thérapies ciblées qui seront utilisées dans la médecine de demain. C’est pourquoi, depuis plus de quinze ans, le Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke (GRAMS) et le Centre d’Imagerie Moléculaire de Sherbrooke (CIMS) collaborent pour concevoir des scanners TEP permettant d’obtenir des images avec un contraste et une résolution inégalée. Pour obtenir ces images, les paramètres des scanners doivent être optimisés de manière minutieuse. L’un des paramètres les plus importants en TEP est la mesure temporelle pour minimiser les coïncidences fortuites et ainsi améliorer le rapport signal sur bruit de l’image. La mesure temporelle peut être entachée d’une part, de bruit statistique provenant de différentes sources comme le bruit thermique, le bruit d’amplification, la pente du signal au point de discrimination et d’autre part, les variations systémiques qui peuvent être corrigées par un traitement approprié de l’information. Le travail présenté dans ce mémoire porte sur la conception d’une nouvelle méthode embarquée et automatisée faisant appel à une sonde d’alignement temporel pour effectuer cet alignement et corriger la dispersion temporelle systémique dans le scanner. Cette méthode a été testée sur le scanner LabPET II, la dernière génération de scanner développé au GRAMS et a permis une amélioration de la mesure temporelle de 47%.

L’utilisation de photodiodes avalanche monophotoniques (PAMP) pour une utilisation au sein d’imageur préclinique par tomographie d’émission par positrons est d’intérêt. En effet, l’utilisation de ces photodétecteurs intégrés au CMOS est poussée par leurs excellentes performances de résolution en temps ainsi que leur haute sensibilité. Cependant, l’utilisation de ces détecteurs nécessite également un circuit intégré de contrôle visant à protéger les photodiodes de courants trop élevés lors de déclenchement d’avalanches et de contrôler leurs temps mort. Ces circuits de plus en plus sophistiqués nécessitent un espace significatif diminuant ainsi la surface photosensible à la surface de la puce et diminuant leurs sensibilités. L’assemblage 3D puce-à-puce est donc nécessaire dans le but d’augmenter la surface photosensible et de ne pas limiter les fonctionnalités de contrôles électroniques individuelles à chaque PAMP. Ce document présente le développement d’un procédé d’assemblage 3D puce-à-puce visant l’intégration de matrices de PAMP. Les étapes de microfabrication nécessaires visent l’intégration d’interconnexions verticales au travers du substrat (TSV) permettant de transmettre les signaux d’une couche à l’autre et le collage 3D de ceux-ci. De plus, des mesures de caractéristiques de bruits ont été effectuées sur des puces ayant subi certaines étapes de microfabrication du procédé d’assemblage 3D. Ces mesures ont été effectuées dans le but de déterminer l’impact potentiel du procédé d’assemblage sur les performances des PAMP intégrés en 3D.

La tomographie d'émission par positrons (TEP) est un outil de choix en imagerie moléculaire grâce à sa capacité à quantifier certains métabolismes et à porter des diagnostics précis sur l'évolution de pathologies. Cependant, la qualité du diagnostic est dépendante de la qualité de l'image obtenue. La complexité des appareils TEP fait en sorte que ceux-ci nécessitent des calibrations fréquentes demandant un professionnel qualifié dans le domaine que très peu de laboratoires pourvus d'un scanner possèdent. Conséquemment, ce projet vise à concevoir un système intelligent pouvant détecter des fautes et porter un diagnostic sur un scanner TEP de façon automatique dans le but de maximiser la qualité des images produites. Le système intelligent développé permettra alors de pallier à la surcharge ou à l'absence d'un professionnel en laboratoire puisqu'il automatisera le contrôle de qualité de l'appareil. Le projet englobe donc: l'identification de données permettant de détecter et diagnostiquer les fautes, l'implantation de système intelligent par module et de façon hiérarchique, la validation de l'exactitude des diagnostics et finalement l'évaluation de l'impact du système sur la qualité des images produites par le scanner. Pour arriver à son but, le système intelligent met en oeuvre différentes méthodes d'intelligence artificielle comprenant des réseaux de neurones artificiels, un système expert à base de règles et diverses méthodes de traitement de signal. Ce projet se penche plus spécifiquement sur le scanner LabPET, un scanner TEP pour petits animaux développé à Sherbrooke. LabPET est un bon candidat car il comporte un nombre élevé de canaux non interdépendants accentuant ainsi les bénéfices de la parallélisation apportés par le système proposé. Ainsi, les travaux ont permis de réaliser un système ayant une efficacité de détection et une exactitude de diagnostic dépassant les attentes et, une étude de l'impact du système sur la qualité des images a démontré une amélioration significative des paramètres de qualité d'image. Il en découle que le système est bien en mesure d'aider les professionnels dans l'entretien du scanner LabPET. Les résultats devraient permettre de promouvoir le développement de systèmes intelligents de détection et de diagnostic de fautes d'appareils TEP. Des systèmes similaires seront certainement nécessaires au bon fonctionnement des prochaines générations d'appareils TEP, et les résultats de ce projet pourront alors servir de référence.

An artificially structured boundary (ASB) produces a short-range, static electromagnetic field that can reflect charged particles. In the work presented, an ASB is considered to consist of a spatially periodic arrangement of electrostatically plugged magnetic cusps. When used to create an enclosed volume, an ASB may confine a non-neutral plasma that is effectively free of applied electromagnetic fields, provided the spatial period of the ASB-applied field is much smaller than any one dimension of the confinement volume. As envisioned, a non-neutral positron plasma could be confined by an ASB along its edge, and the space-charge of the positron plasma would serve to confine an antiproton plasma. If the conditions of the two-species plasma are suitable, production of antihydrogen via three-body recombination for antimatter gravity studies may be possible. A classical trajectory Monte Carlo (CTMC) simulation suite has been developed in C++ to efficiently simulate charged particle interactions with user defined electromagnetic fields. The code has been used to explore several ASB configurations, and a concept for a cylindrically symmetric ASB trap that employs a picket-fence magnetic field has been developed. Particle-in-cell (PIC) modeling has been utilized to investigate the confinement of non-neutral and partially neutralized positron plasmas in the trap.

Par le passé, la collaboration entre le Centre d'Imagerie Médicale de Sherbrooke (CIMS) et le Groupe de Recherche en Appareillage Médicale de Sherbrooke (GRAMS) a permis de développer le scanner LabPET. Celui-ci fut le premier scanner de Tomographie d'Émission par Positrons (TEP) commercial utilisant des photodiodes à effet avalanche (PDA) comme détecteur. Depuis, cette collaboration a permis de faire évoluer le scanner afin d'améliorer cette modalité d'imagerie et d'y ajouter la tomodensitométrie (TDM). Les attentes pour la prochaine génération du scanner sont donc grandes. Cette nouvelle génération du scanner, le LabPET II, verra les deux modalités nativement intégrées et elles utiliseront la même chaine de détection. Ce scanner se verra doté de nouveaux détecteurs organisés en matrices de 64 cristaux de 1,1 par 1,1 mm². Cette nouvelle matrice, associée à ses deux matrices de 32 PDA, a prouvé sa capacité à fournir une résolution spatiale inférieure au millimètre. L'utilisation de ce nouveau module de détection pourra donc permettre au LabPET II d'être le premier scanner bimodal (TEP/TDM) commercial atteignant une résolution submillimétrique. Ce scanner permettra de s'approcher un peu plus de la résolution spatiale ultime en TEP tout en permettant une bonne localisation anatomique grâce à l'ajout d'une imagerie TDM rudimentaire. Pour atteindre ces objectifs, une intégration complète de l'électronique frontale a été nécessaire. Dans les versions précédentes, seuls les préamplificateurs de charge et les filtres de mise en forme étaient intégrés; dans cette nouvelle version, toute l'électronique analogique ainsi que la numérisation et les liens de communications devront être intégrés. Pour ce faire, la technique de temps de survol au-dessus d'un seuil (ou ToT pour «Time-over-Threshold») a été préférée à la solution utilisée par le LabPET I qui nécessitait un convertisseur analogique-numérique par canal. La contrepartie de cette solution est l'obligation de maintenir la tension de base à une valeur fixe et commune à tous les canaux. Le circuit de polarisation des PDA a aussi dû être intégré dans l'ASIC, car il occupait énormément de place sur la carte d'électronique frontale du LabPET 1. Dans ce mémoire seront décrits la conception, l'intégration et les tests de ces deux circuits du système. Ils ont démontré leur efficacité tout en n'occupant que très peu de place dans le circuit intégré spécialisé (ASIC) du «module de détection». Au vu des sources bibliographiques recensées, le module de détection du LabPET II devrait être l'un de ceux ayant la plus forte densité de canaux (environ 45 par centimètre carré) et le seul combinant électronique analogique faible bruit, numérique et haute tension (~450 V). La réalisation de cette nouvelle génération devrait permettre au partenariat CIMS/GRAMS de réaffirmer leur position de leader dans le domaine en améliorant les outils d'imagerie à la disposition des chercheurs en médecine préclinique.

L'imagerie moléculaire est un domaine permettant d'observer et d'analyser in vivo le fonctionnement cellulaire et tissulaire. Elle permet une meilleure compréhension des bioprocessus et par ricochet, le diagnostic, le traitement et le suivi de plusieurs maladies telles que les maladies neurologiques, cardiovasculaires ou les tumeurs cancéreuses. Le LabPET[indice supérieurTM] II, un scanner d'imagerie médicale TEP en développement au sein du Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke (GRAMS), vise à atteindre une résolution spatiale submillimétrique. Ceci demande une densité de détecteurs de l'ordre de 37 000, répartis sur un anneau de 15 cm de diamètre par 12 cm de longueur axiale. Le but ultime est de pouvoir jumeler la tomodensitométrie (TDM) durant la même séance, et de combiner ainsi les informations métaboliques et les informations anatomiques tout en assurant une réduction par un facteur 1,5 à 5 la dose de rayon X par rapport aux doses actuelles en TDM. Ce défi est réparti sur plusieurs axes, parmi lesquels se trouve la chaîne de détection frontale analogique. Un circuit intégré (ASIC) a été développé pour atteindre les performances attendues en TEP et initier des travaux en TDM par comptage de photons individuels. La conception se base sur l'approche de mesures au-dessus d'un seuil (Time Over Threshold (TOT)). Ce choix impose un soin particulier au niveau de l'extraction de l'information temporelle des événements détectés. Ainsi, un convertisseur temps numérique a été conçu à partir d'une boucle à verrouillage de délai (DLL). Le convertisseur comporte deux composantes dont un compteur grossier synchronisé sur l'horloge de référence de 100 MHz (10 ns) et un autre compteur d'une résolution de 312.5 ps.

Le Groupe de recherche en appareillage médical de Sherbrooke possède une expertise unique dans la conception de scanners à tomographie d’émission par positrons. Le fonctionnement de la tomographie d’émission par positrons repose sur la détection de photons d’annihilation colinéaires par un agencement de cristaux scintillateurs, photodétecteurs, convertisseurs temps-numérique et électronique de traitement. Une partie du groupe de recherche s’oriente vers l’utilisation des matrices de photodiodes à avalanches opérées en mode Geiger, afin d’obtenir une meilleure résolution temporelle du système et un seuil de détection plus faible que les générations précédentes,ce qui permet de détecter les premiers photons émis par le cristal scintillateur. Le convertisseur temps-numérique (TDC) développé se veut un bloc polyvalent et réutilisable mesurant des intervalles de temps avec grande précision. Son développement cible des applications de détection monophotoniques avec estampilles temporelles comme la tomographie optique dffuse, les caméras 3D ou la tomographie d’émission par positrons. Il s’intègre ici dans un circuit intégré en CMOS 130 nm assemblé verticalement avec plusieurs gaufres et dédié à la détection en tomographie d’émission par positron. La méthodologie de conception du convertisseur temps-numérique s’inspire d’une approche en signaux mixtes avec suprématie du numérique. En simulation, le TDC développé arbore une résolution de 14,5 ps, une non-linéarité différentielle de 1 bits de poids faible, une non-linéarité intégrale de 2,2 bits de poids faible, une fréquence de conversion de 11,1 millions d’échantillons par seconde, une plage dynamique de 5 ns, une puissance moyenne consommée en moyenne de 4,5 mW et une taille de 0,029 mm². Un mécanisme pour améliorer la résolution du TDC a été intégré dans un exemplaire du TDC. Son utilisation a permis d’obtenir une résolution de 12,6 ps sur un exemplaire du circuit fabriqué. Ces travaux ont permis d’explorer l’architecture en oscillateur vernier avec anneaux et d’en faire ressortir plus clairement les avantages, les inconvénients et les écueils à surveiller lors de la conception.