Projector Model for Efficient List-Mode Reconstruction in PET Scanners with Parallel Planar Detectors

We have developed a new projector model specifically tailored for fast list-mode tomographic reconstructions in Positron emission tomography (PET) scanners with parallel planar detectors. The model provides an accurate estimation of the probability distribution of coincidence events defined by pairs of scintillating crystals. This distribution is parameterized with 2D elliptical Gaussian functions defined in planes perpendicular to the main axis of the tube of response (TOR). The parameters of these Gaussian functions have been obtained by fitting Monte Carlo simulations that include positron range, acolinearity of gamma rays, as well as detector attenuation and scatter effects. The proposed model has been applied efficiently to list-mode reconstruction algorithms. Evaluation with Monte Carlo simulations over a rotating high resolution PET scanner indicates that this model allows to obtain better recovery to noise ratio in OSEM (ordered-subsets, expectation-maximization) reconstruction, if compared to list-mode reconstruction with symmetric circular Gaussian TOR model, and histogram-based OSEM with precalculated system matrix using Monte Carlo simulated models and symmetries.

Optimización de los procesos de medida e interpretación de la tomografía geoeléctrica en la prospección superficial

Debido al carácter innovador de los objetivos científico-tecnológicos planteados al inicio de la presente Tesis doctoral, además de la primera recopilación bibliográfica, a lo largo del desarrollo de la misma se ha realizado una actualización bibliográfica continua centrada en los desarrollos relativos a la instrumentación, las aplicaciones y los procesos de interpretación de las técnicas de tomografía eléctrica. Durante el desarrollo del presente trabajo, se han realizado una serie de campañas diferenciadas, tanto por los ambientes geológicos y las condiciones antrópicas en los que se han efectuado los perfiles geoeléctricos, como por la profundidad y los objetivos de la prospección. En esas campañas se han obtenido, mediante el programa Res2DInv, las secciones tomográficas con la configuración de variables por defecto y se ha realizado una interpretación estructural de las mismas. Como parte central del desarrollo de esta investigación se han efectuado varios procesos de optimización: Comparación y optimización de los dispositivos empleados para la medición de perfiles de resistividad de cara a la obtención de secciones tomográficas que presenten la mayor resolución en distintos ambientes geológicos. Selección de los rangos de representación (lineales y logarítmicos) y de la gradación cromática que, pudiendo adoptarse de forma generalizada, permita la mejor interpretación gráfica para usuarios no avanzados. Diseño de criterios para la selección del factor de amortiguamiento, como parámetro crítico en los procesos de inversión tomográfica de perfiles geoeléctricos de superficie, de forma que los modelos resultantes alcancen la mejor relación entre fiabilidad y error respecto a los valores medidos. Paralelamente a los procesos anteriores se ha definido un índice de calidad de la inversión, que es directamente normalizado y que permite evaluar el grado en el que pueden considerarse fiables tanto los valores de resistividad obtenidos como su distribución espacial. El índice desarrollado (IRI) está basado en la influencia que tiene la resistividad inicial del modelo de inversión en los valores de cada una de las celdas de la malla de inversión. Tras un exhaustivo análisis estadístico se ha verificado que, a diferencia de otros índices utilizados hasta la fecha, dicho índice no está afectado ni por la profundidad de investigación y la resolución de los dispositivos, ni por la distribución de resistividades que presente el subsuelo. ABSTRACT Due to the innovative character of the scientific and technological objectives proposed at the beginning of this thesis, in addition to preparatory bibliographic reference, a constant bibliographic update on developments related to instrumentation, applications and interpretation processes for electric tomography has been performed all through the development of the work. Several measuring campaigns were performed during the development of the thesis. These campaigns, in which the geoelectric profiles were measured, varied in several aspects, both in the geological and anthropic conditions, and also in the depth and objectives of the prospection. Tomographic sections were obtained and interpretated by making use of the Res2DInv software configured with the default variables. As part of the core development in this research, several optimization processes have been done: Comparison and optimization of the devices used in the measurement of resistivity profiles. This optimization allows increasing the resolution of tomographic sections in different geological conditions. Selection of the best visual representation for the tomographic sections. This involves the selection of the range of values and type of scale (linear vs. logarithmic) as well as the chromatic graduation. This selection allows improving the interpretation of tomographic sections for the non-expert eye. Devising of criteria for the selection of the damping factor, as the critical parameter in processes of tomographic inversion of superficial geoelectrical profiles. The use of these criteria allows selecting the best factors to obtain the best ratio between reliability and error (in relation to the mean values) for the resulting model. In addition to the aforementioned processes, and as part of the work within this thesis, it has been defined a normalized quality index for inversion. This index allows evaluating the degree of reliability of the obtained resistivity values and spatial distribution. The developed index, termed IRI in the thesis, is based on the influence shown by the initial resistivity of the inversion model on the values of each of the cells of the inversion mesh. After an exhaustive statistical analysis it was verified that the IRI index is neither affected by the investigation depth, nor the resolution of the devices, nor the resistivity’s distribution of the sub soil. This independency is a unique characteristic of the IRI index, not present in other indexes developed and used till date.

Microstructural segmentation of 3D images of alsphalt specimen using Matlab engine

En este proyecto se ha desarrollado un código de MATLAB para el procesamiento de imágenes tomográficas 3D, de muestras de asfalto de carreteras en Polonia. Estas imágenes en 3D han sido tomadas por un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Lodz (LUT). El objetivo de este proyecto es crear una herramienta que se pueda utilizar para estudiar las diferentes muestras de asfalto 3D y pueda servir para estudiar las pruebas de estrés que experimentan las muestras en el laboratorio. Con el objetivo final de encontrar soluciones a la degradación sufrida en las carreteras de Polonia, debido a diferentes causas, como son las condiciones meteorológicas. La degradación de las carreteras es un tema que se ha investigado desde hace muchos años, debido a la fuerte degradación causada por diferentes factores como son climáticos, la falta de mantenimiento o el tráfico excesivo en algunos casos. Es en Polonia, donde estos tres factores hacen que la composición de muchas carreteras se degrade rápidamente, sobre todo debido a las condiciones meteorológicas sufridas a lo largo del año, con temperaturas que van desde 30° C en verano a -20° C en invierno. Esto hace que la composición de las carreteras sufra mucho y el asfalto se levante, lo que aumenta los costos de mantenimiento y los accidentes de carretera. Este proyecto parte de la base de investigación que se lleva a cabo en la LUT, tratando de mejorar el análisis de las muestras de asfalto, por lo que se realizarán las pruebas de estrés y encontrar soluciones para mejorar el asfalto en las carreteras polacas. Esto disminuiría notablemente el costo de mantenimiento. A pesar de no entrar en aspectos muy técnicos sobre el asfalto y su composición, se ha necesitado realizar un estudio profundo sobre todas sus características, para crear un código capaz de obtener los mejores resultados. Por estas razones, se ha desarrollado en Matlab, los algoritmos que permiten el estudio de los especímenes 3D de asfalto. Se ha utilizado este software, ya que Matlab es una poderosa herramienta matemática que permite operar con matrices para realización de operaciones rápidamente, permitiendo desarrollar un código específico para el tratamiento y procesamiento de imágenes en 3D. Gracias a esta herramienta, estos algoritmos realizan procesos tales como, la segmentación de la imagen 3D, pre y post procesamiento de la imagen, filtrado o todo tipo de análisis microestructural de las muestras de asfalto que se están estudiando. El código presentado para la segmentación de las muestras de asfalto 3D es menos complejo en su diseño y desarrollo, debido a las herramientas de procesamiento de imágenes que incluye Matlab, que facilitan significativamente la tarea de programación, así como el método de segmentación utilizado. Respecto al código, este ha sido diseñado teniendo en cuenta el objetivo de facilitar el trabajo de análisis y estudio de las imágenes en 3D de las muestras de asfalto. Por lo tanto, el principal objetivo es el de crear una herramienta para el estudio de este código, por ello fue desarrollado para que pueda ser integrado en un entorno visual, de manera que sea más fácil y simple su utilización. Ese es el motivo por el cual todos estos algoritmos y funciones, que ha sido desarrolladas, se integrarán en una herramienta visual que se ha desarrollado con el GUIDE de Matlab. Esta herramienta ha sido creada en colaboración con Jorge Vega, y fue desarrollada en su proyecto final de carrera, cuyo título es: Segmentación microestructural de Imágenes en 3D de la muestra de asfalto utilizando Matlab. En esta herramienta se ha utilizado todo las funciones programadas en este proyecto, y tiene el objetivo de desarrollar una herramienta que permita crear un entorno gráfico intuitivo y de fácil uso para el estudio de las muestras de 3D de asfalto. Este proyecto se ha dividido en 4 capítulos, en un primer lugar estará la introducción, donde se presentarán los aspectos más importante que se va a componer el proyecto. En el segundo capítulo se presentarán todos los datos técnicos que se han tenido que estudiar para desarrollar la herramienta, entre los que cabe los tres temas más importantes que se han estudiado en este proyecto: materiales asfálticos, los principios de la tomografías 3D y el procesamiento de imágenes. Esta será la base para el tercer capítulo, que expondrá la metodología utilizada en la elaboración del código, con la explicación del entorno de trabajo utilizado en Matlab y todas las funciones de procesamiento de imágenes utilizadas. Además, se muestra todo el código desarrollado, así como una descripción teórica de los métodos utilizados para el pre-procesamiento y segmentación de las imagenes en 3D. En el capítulo 4, se mostrarán los resultados obtenidos en el estudio de una de las muestras de asfalto, y, finalmente, el último capítulo se basa en las conclusiones sobre el desarrollo de este proyecto. En este proyecto se ha llevado han realizado todos los puntos que se establecieron como punto de partida en el anteproyecto para crear la herramienta, a pesar de que se ha dejado para futuros proyectos nuevas posibilidades de este codigo, como por ejemplo, la detección automática de las diferentes regiones de una muestra de asfalto debido a su composición. Como se muestra en este proyecto, las técnicas de procesamiento de imágenes se utilizan cada vez más en multitud áreas, como pueden ser industriales o médicas. En consecuencia, este tipo de proyecto tiene multitud de posibilidades, y pudiendo ser la base para muchas nuevas aplicaciones que se puedan desarrollar en un futuro. Por último, se concluye que este proyecto ha contribuido a fortalecer las habilidades de programación, ampliando el conocimiento de Matlab y de la teoría de procesamiento de imágenes. Del mismo modo, este trabajo proporciona una base para el desarrollo de un proyecto más amplio cuyo alcance será una herramienta que puedas ser utilizada por el equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Lodz y en futuros proyectos. ABSTRACT In this project has been developed one code in MATLAB to process X-ray tomographic 3D images of asphalt specimens. These images 3D has been taken by a research team of the Lodz University of Technology (LUT). The aim of this project is to create a tool that can be used to study differents asphalt specimen and can be used to study them after stress tests undergoing the samples. With the final goal to find solutions to the degradation suffered roads in Poland due to differents causes, like weather conditions. The degradation of the roads is an issue that has been investigated many years ago, due to strong degradation suffered caused by various factors such as climate, poor maintenance or excessive traffic in some cases. It is in Poland where these three factors make the composition of many roads degrade rapidly, especially due to the weather conditions suffered along the year, with temperatures ranging from 30 o C in summer to -20 ° C in winter. This causes the roads suffers a lot and asphalt rises shortly after putting, increasing maintenance costs and road accident. This project part of the base that research is taking place at the LUT, in order to better analyze the asphalt specimens, they are tested for stress and find solutions to improve the asphalt on Polish roads. This would decrease remarkable maintenance cost. Although this project will not go into the technical aspect as asphalt and composition, but it has been required a deep study about all of its features, to create a code able to obtain the best results. For these reasons, there have been developed in Matlab, algorithms that allow the study of 3D specimens of asphalt. Matlab is a powerful mathematical tool, which allows arrays operate fastly, allowing to develop specific code for the treatment and processing of 3D images. Thus, these algorithms perform processes such as the multidimensional matrix sgementation, pre and post processing with the same filtering algorithms or microstructural analysis of asphalt specimen which being studied. All these algorithms and function that has been developed to be integrated into a visual tool which it be developed with the GUIDE of Matlab. This tool has been created in the project of Jorge Vega which name is: Microstructural segmentation of 3D images of asphalt specimen using Matlab engine. In this tool it has been used all the functions programmed in this project, and it has the aim to develop an easy and intuitive graphical environment for the study of 3D samples of asphalt. This project has been divided into 4 chapters plus the introduction, the second chapter introduces the state-of-the-art of the three of the most important topics that have been studied in this project: asphalt materials, principle of X-ray tomography and image processing. This will be the base for the third chapter, which will outline the methodology used in developing the code, explaining the working environment of Matlab and all the functions of processing images used. In addition, it will be shown all the developed code created, as well as a theoretical description of the methods used for preprocessing and 3D image segmentation. In Chapter 4 is shown the results obtained from the study of one of the specimens of asphalt, and finally the last chapter draws the conclusions regarding the development of this project.

Floating bare tether as upper atmosphere probe

Use of a conductive bare tape electrically floating in low Earth orbit as an effective electron beam source to produce artificial auroral effects, free of problems that mard tandard beams, is considered. Ambient ions impacting the tape with keV energies over most of its length liberate secondary electrons that race down the magnetic field, excite neutrals in the E layer, and result in auroral emissions. The tether would operate with both a power supply and a plasma contactor off at nighttime; power and contactor would be on at daytime for reboost. Tomographic analysis of auroral emissions from the footprint of the beam, as observed from the spacecraft, can provide density profiles of dominant neutral species in the E layer. A characteristic tether system, at altitude 300 km and moderate orbital inclination, would involve an aluminum tape with a length of 20 km, a width of 15 mm, and a thickness of 0.2 mm for a full-system mass around 1200 kg, with two thirds going into the power subsystem.

Multidimensional, multislaces, and multiscale MRI for quality evaluation in food.

InsideFood explicitly aims at measuring food microstructure, the spatial distribution of food components within foods, with state of the art tomographic, spectroscopic and texture measurement techniques including X-ray micro-and nano CT, MRI,OCT, NMR, TRS and SRS, and acoustic emission. Nutritional quality (sugar and gluten free cereal products), sensory quality (texture of all foods) and safety (foreign material detection in cereal products) are considered. Online and inline techniques including NMR, MRI, TRS, SRS and X-ray imaging to visualise and monitor structure will be developed.

Proof of concept of an imaging system demonstrator for PET applications with SiPM

A PET imaging system demonstrator based on LYSO crystal arrays coupled to SiPM matrices is under construction at the University and INFN of Pisa. Two SiPM matrices, composed of 8×8 SiPM pixels, and 1,5 mm pitch, have been coupled one to one to a LYSO crystals array and read out by a custom electronics system. front-end ASICs were used to read 8 channels of each matrix. Data from each front-end were multiplexed and sent to a DAQ board for the digital conversion; a motherboard collects the data and communicates with a host computer through a USB port for the storage and off-line data processing. In this paper we show the first preliminary tomographic image of a point-like radioactive source acquired with part of the two detection heads in time coincidence.

Floating Bare Tether as Upper Atmosphere Probe

Use of a (bare) conductive tape electrically floating in LEO as an effective e-beam source that produces artificial auroras, and is free of problems that have marred standard beams, is considered. Ambient ions impacting the tape with KeV energies over most of its length liberate secondary electrons, which race down the magnetic field and excite neutrals in the E-layer, resulting in auroral emissions. The tether would operate at night-time with both a power supply and a plasma contactor off; power and contactor would be on at daytime for reboost. The optimal tape thickness yielding a minimum mass for an autonomous system is determined; the alternative use of an electric thruster for day reboost, depending on mission duration, is discussed. Measurements of emission brightness from the spacecraft could allow determination of the (neutral) density vertical profile in the critical E-layer; the flux and energy in the beam, varying along the tether, allow imaging line-of-sight integrated emissions that mix effects with altitude-dependent neutral density and lead to a brightness peak in the beam footprint at the E-layer. Difficulties in tomographic inversion, to determine the density profile, result from beam broadening, due to elastic collisions, which flattens the peak, and to the highly nonlinear functional dependency of line-of-sight brightness. Some dynamical issues are discussed.

Detectores monolíticos y sensores compatibles con altos campos magnéticos para tomografía por emisión de positrones

Esta tesis recoje un trabajo experimental centrado en profundizar sobre el conocimiento de los bloques detectores monolíticos como alternativa a los detectores segmentados para tomografía por emisión de positrones (Positron Emission Tomography, PET). El trabajo llevado a cabo incluye el desarrollo, la caracterización, la puesta a punto y la evaluación de prototipos demostradores PET utilizando bloques monolíticos de ortosilicato de lutecio ytrio dopado con cerio (Cerium-Doped Lutetium Yttrium Orthosilicate, LYSO:Ce) usando sensores compatibles con altos campos magnéticos, tanto fotodiodos de avalancha (Avalanche Photodiodes, APDs) como fotomultiplicadores de silicio (Silicon Photomultipliers, SiPMs). Los prototipos implementados con APDs se construyeron para estudiar la viabilidad de un prototipo PET de alta sensibilidad previamente simulado, denominado BrainPET. En esta memoria se describe y caracteriza la electrónica frontal integrada utilizada en estos prototipos junto con la electrónica de lectura desarrollada específicamente para los mismos. Se muestran los montajes experimentales para la obtención de las imágenes tomográficas PET y para el entrenamiento de los algoritmos de red neuronal utilizados para la estimación de las posiciones de incidencia de los fotones γ sobre la superficie de los bloques monolíticos. Con el prototipo BrainPET se obtuvieron resultados satisfactorios de resolución energética (13 % FWHM), precisión espacial de los bloques monolíticos (~ 2 mm FWHM) y resolución espacial de la imagen PET de 1,5 - 1,7 mm FWHM. Además se demostró una capacidad resolutiva en la imagen PET de ~ 2 mm al adquirir simultáneamente imágenes de fuentes radiactivas separadas a distancias conocidas. Sin embargo, con este prototipo se detectaron también dos limitaciones importantes. En primer lugar, se constató una falta de flexibilidad a la hora de trabajar con un circuito integrado de aplicación específica (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) cuyo diseño electrónico no era propio sino comercial, unido al elevado coste que requieren las modificaciones del diseño de un ASIC con tales características. Por otra parte, la caracterización final de la electrónica integrada del BrainPET mostró una resolución temporal con amplio margen de mejora (~ 13 ns FWHM). Tomando en cuenta estas limitaciones obtenidas con los prototipos BrainPET, junto con la evolución tecnológica hacia matrices de SiPM, el conocimiento adquirido con los bloques monolíticos se trasladó a la nueva tecnología de sensores disponible, los SiPMs. A su vez se inició una nueva estrategia para la electrónica frontal, con el ASIC FlexToT, un ASIC de diseño propio basado en un esquema de medida del tiempo sobre umbral (Time over Threshold, ToT), en donde la duración del pulso de salida es proporcional a la energía depositada. Una de las características más interesantes de este esquema es la posibilidad de manejar directamente señales de pulsos digitales, en lugar de procesar la amplitud de las señales analógicas. Con esta arquitectura electrónica se sustituyen los conversores analógicos digitales (Analog to Digital Converter, ADCs) por conversores de tiempo digitales (Time to Digital Converter, TDCs), pudiendo implementar éstos de forma sencilla en matrices de puertas programmable ‘in situ’ (Field Programmable Gate Array, FPGA), reduciendo con ello el consumo y la complejidad del diseño. Se construyó un nuevo prototipo demostrador FlexToT para validar dicho ASIC para bloques monolíticos o segmentados. Se ha llevado a cabo el diseño y caracterización de la electrónica frontal necesaria para la lectura del ASIC FlexToT, evaluando su linealidad y rango dinámico, el comportamiento frente a ruido así como la no linealidad diferencial obtenida con los TDCs implementados en la FPGA. Además, la electrónica presentada en este trabajo es capaz de trabajar con altas tasas de actividad y de discriminar diferentes centelleadores para aplicaciones phoswich. El ASIC FlexToT proporciona una excelente resolución temporal en coincidencia para los eventos correspondientes con el fotopico de 511 keV (128 ps FWHM), solventando las limitaciones de resolución temporal del prototipo BrainPET. Por otra parte, la resolución energética con bloques monolíticos leidos por ASICs FlexToT proporciona una resolución energética de 15,4 % FWHM a 511 keV. Finalmente, se obtuvieron buenos resultados en la calidad de la imagen PET y en la capacidad resolutiva del demostrador FlexToT, proporcionando resoluciones espaciales en el centro del FoV en torno a 1,4 mm FWHM. ABSTRACT This thesis is focused on the development of experimental activities used to deepen the knowledge of monolithic detector blocks as an alternative to segmented detectors for Positron Emission Tomography (PET). It includes the development, characterization, setting up, running and evaluation of PET demonstrator prototypes with monolithic detector blocks of Cerium-doped Lutetium Yttrium Orthosilicate (LYSO:Ce) using magnetically compatible sensors such as Avalanche Photodiodes (APDs) and Silicon Photomultipliers (SiPMs). The prototypes implemented with APDs were constructed to validate the viability of a high-sensitivity PET prototype that had previously been simulated, denominated BrainPET. This work describes and characterizes the integrated front-end electronics used in these prototypes, as well as the electronic readout system developed especially for them. It shows the experimental set-ups to obtain the tomographic PET images and to train neural networks algorithms used for position estimation of photons impinging on the surface of monolithic blocks. Using the BrainPET prototype, satisfactory energy resolution (13 % FWHM), spatial precision of monolithic blocks (~ 2 mm FWHM) and spatial resolution of the PET image (1.5 – 1.7 mm FWHM) in the center of the Field of View (FoV) were obtained. Moreover, we proved the imaging capabilities of this demonstrator with extended sources, considering the acquisition of two simultaneous sources of 1 mm diameter placed at known distances. However, some important limitations were also detected with the BrainPET prototype. In the first place, it was confirmed that there was a lack of flexibility working with an Application Specific Integrated Circuit (ASIC) whose electronic design was not own but commercial, along with the high cost required to modify an ASIC design with such features. Furthermore, the final characterization of the BrainPET ASIC showed a timing resolution with room for improvement (~ 13 ns FWHM). Taking into consideration the limitations obtained with the BrainPET prototype, along with the technological evolution in magnetically compatible devices, the knowledge acquired with the monolithic blocks were transferred to the new technology available, the SiPMs. Moreover, we opted for a new strategy in the front-end electronics, the FlexToT ASIC, an own design ASIC based on a Time over Threshold (ToT) scheme. One of the most interesting features underlying a ToT architecture is the encoding of the analog input signal amplitude information into the duration of the output signals, delivering directly digital pulses. The electronic architecture helps substitute the Analog to Digital Converters (ADCs) for Time to Digital Converters (TDCs), and they are easily implemented in Field Programmable Gate Arrays (FPGA), reducing the consumption and the complexity of the design. A new prototype demonstrator based on SiPMs was implemented to validate the FlexToT ASIC for monolithic or segmented blocks. The design and characterization of the necessary front-end electronic to read-out the signals from the ASIC was carried out by evaluating its linearity and dynamic range, its performance with an external noise signal, as well as the differential nonlinearity obtained with the TDCs implemented in the FPGA. Furthermore, the electronic presented in this work is capable of working at high count rates and discriminates different phoswich scintillators. The FlexToT ASIC provides an excellent coincidence time resolution for events that correspond to 511 keV photopeak (128 ps FWHM), resolving the limitations of the poor timing resolution of the BrainPET prototype. Furthermore, the energy resolution with monolithic blocks read by FlexToT ASICs provides an energy resolution of 15.4 % FWHM at 511 keV. Finally, good results were obtained in the quality of the PET image and the resolving power of the FlexToT demonstrator, providing spatial resolutions in the centre of the FoV at about 1.4 mm FWHM.

Electron tomography of (In,Ga)N insertions in GaN nanocolumns grown on semi-polar (11(2)over-bar2) GaN templates

We present results of scanning transmission electron tomography on GaN/(In,Ga)N/GaN nanocolumns (NCs) that grew uniformly inclined towards the patterned, semi-polar GaN( 112̄ 2 ) substrate surface by molecular beam epitaxy. For the practical realization of the tomographic experiment, the nanocolumn axis has been aligned parallel to the rotation axis of the electron microscope goniometer. The tomographic reconstruction allows for the determination of the three-dimensional indium distribution inside the nanocolumns. This distribution is strongly interrelated with the nanocolumn morphology and faceting. The (In,Ga)N layer thickness and the indium concentration differ between crystallographically equivalent and non-equivalent facets. The largest thickness and the highest indium concentration are found at the nanocolumn apex parallel to the basal planes.