Les algorithmes de haute résolution en tomographie d'émission par positrons : développement et accélération sur les cartes graphiques

La tomographie d’émission par positrons (TEP) est une modalité d’imagerie moléculaire utilisant des radiotraceurs marqués par des isotopes émetteurs de positrons permettant de quantifier et de sonder des processus biologiques et physiologiques. Cette modalité est surtout utilisée actuellement en oncologie, mais elle est aussi utilisée de plus en plus en cardiologie, en neurologie et en pharmacologie. En fait, c’est une modalité qui est intrinsèquement capable d’offrir avec une meilleure sensibilité des informations fonctionnelles sur le métabolisme cellulaire. Les limites de cette modalité sont surtout la faible résolution spatiale et le manque d’exactitude de la quantification. Par ailleurs, afin de dépasser ces limites qui constituent un obstacle pour élargir le champ des applications cliniques de la TEP, les nouveaux systèmes d’acquisition sont équipés d’un grand nombre de petits détecteurs ayant des meilleures performances de détection. La reconstruction de l’image se fait en utilisant les algorithmes stochastiques itératifs mieux adaptés aux acquisitions à faibles statistiques. De ce fait, le temps de reconstruction est devenu trop long pour une utilisation en milieu clinique. Ainsi, pour réduire ce temps, on les données d’acquisition sont compressées et des versions accélérées d’algorithmes stochastiques itératifs qui sont généralement moins exactes sont utilisées. Les performances améliorées par l’augmentation de nombre des détecteurs sont donc limitées par les contraintes de temps de calcul. Afin de sortir de cette boucle et permettre l’utilisation des algorithmes de reconstruction robustes, de nombreux travaux ont été effectués pour accélérer ces algorithmes sur les dispositifs GPU (Graphics Processing Units) de calcul haute performance. Dans ce travail, nous avons rejoint cet effort de la communauté scientifique pour développer et introduire en clinique l’utilisation des algorithmes de reconstruction puissants qui améliorent la résolution spatiale et l’exactitude de la quantification en TEP. Nous avons d’abord travaillé sur le développement des stratégies pour accélérer sur les dispositifs GPU la reconstruction des images TEP à partir des données d’acquisition en mode liste. En fait, le mode liste offre de nombreux avantages par rapport à la reconstruction à partir des sinogrammes, entre autres : il permet d’implanter facilement et avec précision la correction du mouvement et le temps de vol (TOF : Time-Of Flight) pour améliorer l’exactitude de la quantification. Il permet aussi d’utiliser les fonctions de bases spatio-temporelles pour effectuer la reconstruction 4D afin d’estimer les paramètres cinétiques des métabolismes avec exactitude. Cependant, d’une part, l’utilisation de ce mode est très limitée en clinique, et d’autre part, il est surtout utilisé pour estimer la valeur normalisée de captation SUV qui est une grandeur semi-quantitative limitant le caractère fonctionnel de la TEP. Nos contributions sont les suivantes : - Le développement d’une nouvelle stratégie visant à accélérer sur les dispositifs GPU l’algorithme 3D LM-OSEM (List Mode Ordered-Subset Expectation-Maximization), y compris le calcul de la matrice de sensibilité intégrant les facteurs d’atténuation du patient et les coefficients de normalisation des détecteurs. Le temps de calcul obtenu est non seulement compatible avec une utilisation clinique des algorithmes 3D LM-OSEM, mais il permet également d’envisager des reconstructions rapides pour les applications TEP avancées telles que les études dynamiques en temps réel et des reconstructions d’images paramétriques à partir des données d’acquisitions directement. - Le développement et l’implantation sur GPU de l’approche Multigrilles/Multitrames pour accélérer l’algorithme LMEM (List-Mode Expectation-Maximization). L’objectif est de développer une nouvelle stratégie pour accélérer l’algorithme de référence LMEM qui est un algorithme convergent et puissant, mais qui a l’inconvénient de converger très lentement. Les résultats obtenus permettent d’entrevoir des reconstructions en temps quasi-réel que ce soit pour les examens utilisant un grand nombre de données d’acquisition aussi bien que pour les acquisitions dynamiques synchronisées. Par ailleurs, en clinique, la quantification est souvent faite à partir de données d’acquisition en sinogrammes généralement compressés. Mais des travaux antérieurs ont montré que cette approche pour accélérer la reconstruction diminue l’exactitude de la quantification et dégrade la résolution spatiale. Pour cette raison, nous avons parallélisé et implémenté sur GPU l’algorithme AW-LOR-OSEM (Attenuation-Weighted Line-of-Response-OSEM) ; une version de l’algorithme 3D OSEM qui effectue la reconstruction à partir de sinogrammes sans compression de données en intégrant les corrections de l’atténuation et de la normalisation dans les matrices de sensibilité. Nous avons comparé deux approches d’implantation : dans la première, la matrice système (MS) est calculée en temps réel au cours de la reconstruction, tandis que la seconde implantation utilise une MS pré- calculée avec une meilleure exactitude. Les résultats montrent que la première implantation offre une efficacité de calcul environ deux fois meilleure que celle obtenue dans la deuxième implantation. Les temps de reconstruction rapportés sont compatibles avec une utilisation clinique de ces deux stratégies.

Design, Fabrication and Characterization of Passive and Active Polymer Photonic Devices

The rapid developments in fields such as fibre optic communication engineering and integrated optical electronics have expanded the interest and have increased the expectations about guided wave optics, in which optical waveguides and optical fibres play a central role. The technology of guided wave photonics now plays a role in generating information (guided-wave sensors) and processing information (spectral analysis, analog-to-digital conversion and other optical communication schemes) in addition to its original application of transmitting information (fibre optic communication). Passive and active polymer devices have generated much research interest recently because of the versatility of the fabrication techniques and the potential applications in two important areas – short distant communication network and special functionality optical devices such as amplifiers, switches and sensors. Polymer optical waveguides and fibres are often designed to have large cores with 10-1000 micrometer diameter to facilitate easy connection and splicing. Large diameter polymer optical fibres being less fragile and vastly easier to work with than glass fibres, are attractive in sensing applications. Sensors using commercial plastic optical fibres are based on ideas already used in silica glass sensors, but exploiting the flexible and cost effective nature of the plastic optical fibre for harsh environments and throw-away sensors. In the field of Photonics, considerable attention is centering on the use of polymer waveguides and fibres, as they have a great potential to create all-optical devices. By attaching organic dyes to the polymer system we can incorporate a variety of optical functions. Organic dye doped polymer waveguides and fibres are potential candidates for solid state gain media. High power and high gain optical amplification in organic dye-doped polymer waveguide amplifier is possible due to extremely large emission cross sections of dyes. Also, an extensive choice of organic dye dopants is possible resulting in amplification covering a wide range in the visible region.

Studies on Soft Bycatch Reduction Devices for Selective Trawling

Trawling, though an efficient method of fishing, is known to be one of the most non-selective methods of fish capture. The bulk of the wild caught penaeid shrimps landed in India are caught by trawling.In addition to shrimps, the trawler fleet also catches considerable amount of non-shrimp resources. The term bycatch means that portion of the catch other than target species caught while fishing, which are either retained or discarded. Bycatch discards is a serious problem leading to the depletion of the resources and negative impacts on biodiversity. In order to minimize this problem, trawling has to be made more selective by incorporating Bycatch Reduction Devices (BRDs). There are several advantages in using BRDs in shrimp trawling. BRDs reduce the negative impacts of shrimp trawling on marine community. Fishers could benefit economically from higher catch value due to improved catch quality, shorter sorting time, lower fuel costs, and longer tow duration. Adoption of BRDs by fishers would forestall criticism by conservation groups against trawling.

Investigations on Hard Bycatch Reduction Devices for Selective Trawling

In the context of Indian fisheries there is a paucity of information on bycatch, in general, and bycatch reduction technologies, in particular. In this study, a detailed investigation on trawl bycatch and bycatch reduction measures is attempted with a view to evolve optimized BRDs for improving selectivity of commercial shrimp trawls. The objectives of the study included design and development of hard bycatch reduction devices (BRDs), comparative evaluation of hard bycatch reduction devices, for selective trawling, bycatch characterisation of the trawl landings, off Central Kerala; and investigations on status of the existing trawling systems operated off Central Kerala.

Thermal lens spectrum of organic dyes using optical parametric oscillator

The wavelength dependence of thermal lens signal from organic dyes are studied using dual beam thermal lens technique. It is found that the profile of thermal lens spectrum widely differ from the conventional absorption spectrum in the case of rhodamine B unlike in the case of crystal violet. This is explained on the basis of varying contribution of nonradiative relaxations from the excited vibronic levels.

Low-voltage driven ZnS:Mn MIS and MISIM thin film electroluminescent devices with Eu2O3 insulator layer

AC thin film electroluminescent devices of MIS and MISIM have been fabricated with a novel dielectric layer of Eu2O3 as an insulator. The threshold voltage for light emission is found to depend strongly on the frequency of excitation source in these devices. These devices are fabricated with an active layer of ZnS:Mn and a novel dielectric layer of Eu2O3 as an insulator. The observed frequency dependence of brightness-voltage characteristics has been explained on the basis of the loss characteristic of the insulator layer. Changes in the threshold voltage and brightness with variation in emitting or insulating film thickness have been investigated in metal-insulator-semiconductor (MIS) structures. It has been found that the decrease in brightness occurring with decreasing ZnS layer thickness can be compensated by an increase in brightness obtained by reducing the insulator thickness. The optimal condition for low threshold voltage and higher stability has been shown to occur when the active layer to insulator thickness ratio lies between one and two.

Thermal lens spectrum of organic dyes using optical parametric oscillator

The wavelength dependence of thermal lens signal from organic dyes are studied using dual beam thermal lens technique. It is found that the profile of thermal lens spectrum widely differ from the conventional absorption spectrum in the case of rhodamine B unlike in the case of crystal violet. This is explained on the basis of varying contribution of nonradiative relaxations from the excited vibronic levels.

Synthesis and Characterisation of Zinc Gallate Based Phosphors for Thin Film Electroluminescent Devices

Department of Physics, Cochin University of Science and Technology

Dynamics of the logistic map under discrete parametric perturbation

By introducing a periodic perturbation in the control parameter of the logistic map we have investigated the period locking properties of the map. The map then gets locked onto the periodicity of the perturbation for a wide range of values of the parameter and hence can lead to a control of the chaotic regime. This parametrically perturbed map exhibits many other interesting features like the presence of bubble structures, repeated reappearance of periodic cycles beyond the chaotic regime, dependence of the escape parameter on the seed value and also on the initial phase of the perturbation etc.

HRTEM assessment of Wurtzite and Zinc-Blende phases in GaAs nanowires for optoelectronic devices

Màster en Nanociència i Nanotecnologia. Curs 2007-2008. Directors: Francesca Peiró i Martínez and Jordi Arbiol i Cobos

Synthesis, Growth and Characterization of Oxide Phosphors for Thin Film Electroluminescent Devices

Department of Physics, Cochin University of Science and Technology