The Possibilities and Dosimetric Limitations of MLC-Based Intensity-Modulated Radiotherapy Delivery and Optimization Techniques

The use of intensity-modulated radiotherapy (IMRT) has increased extensively in the modern radiotherapy (RT) treatments over the past two decades. Radiation dose distributions can be delivered with higher conformality with IMRT when compared to the conventional 3D-conformal radiotherapy (3D-CRT). Higher conformality and target coverage increases the probability of tumour control and decreases the normal tissue complications. The primary goal of this work is to improve and evaluate the accuracy, efficiency and delivery techniques of RT treatments by using IMRT. This study evaluated the dosimetric limitations and possibilities of IMRT in small (treatments of head-and-neck, prostate and lung cancer) and large volumes (primitive neuroectodermal tumours). The dose coverage of target volumes and the sparing of critical organs were increased with IMRT when compared to 3D-CRT. The developed split field IMRT technique was found to be safe and accurate method in craniospinal irradiations. By using IMRT in simultaneous integrated boosting of biologically defined target volumes of localized prostate cancer high doses were achievable with only small increase in the treatment complexity. Biological plan optimization increased the probability of uncomplicated control on average by 28% when compared to standard IMRT delivery. Unfortunately IMRT carries also some drawbacks. In IMRT the beam modulation is realized by splitting a large radiation field to small apertures. The smaller the beam apertures are the larger the rebuild-up and rebuild-down effects are at the tissue interfaces. The limitations to use IMRT with small apertures in the treatments of small lung tumours were investigated with dosimetric film measurements. The results confirmed that the peripheral doses of the small lung tumours were decreased as the effective field size was decreased. The studied calculation algorithms were not able to model the dose deficiency of the tumours accurately. The use of small sliding window apertures of 2 mm and 4 mm decreased the tumour peripheral dose by 6% when compared to 3D-CRT treatment plan. A direct aperture based optimization (DABO) technique was examined as a solution to decrease the treatment complexity. The DABO IMRT technique was able to achieve treatment plans equivalent with the conventional IMRT fluence based optimization techniques in the concave head-and-neck target volumes. With DABO the effective field sizes were increased and the number of MUs was reduced with a factor of two. The optimality of a treatment plan and the therapeutic ratio can be further enhanced by using dose painting based on regional radiosensitivities imaged with functional imaging methods.

Hyperbolic type metrics and distortion of quasiconformal map pings

This Ph.D. thesis consists of four original papers. The papers cover several topics from geometric function theory, more specifically, hyperbolic type metrics, conformal invariants, and the distortion properties of quasiconformal mappings. The first paper deals mostly with the quasihyperbolic metric. The main result gives the optimal bilipschitz constant with respect to the quasihyperbolic metric for the M¨obius self-mappings of the unit ball. A quasiinvariance property, sharp in a local sense, of the quasihyperbolic metric under quasiconformal mappings is also proved. The second paper studies some distortion estimates for the class of quasiconformal self-mappings fixing the boundary values of the unit ball or convex domains. The distortion is measured by the hyperbolic metric or hyperbolic type metrics. The results provide explicit, asymptotically sharp inequalities when the maximal dilatation of quasiconformal mappings tends to 1. These explicit estimates involve special functions which have a crucial role in this study. In the third paper, we investigate the notion of the quasihyperbolic volume and find the growth estimates for the quasihyperbolic volume of balls in a domain in terms of the radius. It turns out that in the case of domains with Ahlfors regular boundaries, the rate of growth depends not merely on the radius but also on the metric structure of the boundary. The topic of the fourth paper is complete elliptic integrals and inequalities. We derive some functional inequalities and elementary estimates for these special functions. As applications, some functional inequalities and the growth of the exterior modulus of a rectangle are studied.

Group-invariant solutions of semilinear Schrodinger equations in multi-dimensions

Symmetry group methods are applied to obtain all explicit group-invariant radial solutions to a class of semilinear Schr¨odinger equations in dimensions n = 1. Both focusing and defocusing cases of a power nonlinearity are considered, including the special case of the pseudo-conformal power p = 4/n relevant for critical dynamics. The methods involve, first, reduction of the Schr¨odinger equations to group-invariant semilinear complex 2nd order ordinary differential equations (ODEs) with respect to an optimal set of one-dimensional point symmetry groups, and second, use of inherited symmetries, hidden symmetries, and conditional symmetries to solve each ODE by quadratures. Through Noether’s theorem, all conservation laws arising from these point symmetry groups are listed. Some group-invariant solutions are found to exist for values of n other than just positive integers, and in such cases an alternative two-dimensional form of the Schr¨odinger equations involving an extra modulation term with a parameter m = 2−n = 0 is discussed.

Équations différentielles issues des vecteurs singuliers des représentations de l'algèbre de Virasoro

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La structure de Jordan des matrices de transfert des modèles de boucles et la relation avec les hamiltoniens XXZ

Les modèles sur réseau comme ceux de la percolation, d’Ising et de Potts servent à décrire les transitions de phase en deux dimensions. La recherche de leur solution analytique passe par le calcul de la fonction de partition et la diagonalisation de matrices de transfert. Au point critique, ces modèles statistiques bidimensionnels sont invariants sous les transformations conformes et la construction de théories des champs conformes rationnelles, limites continues des modèles statistiques, permet un calcul de la fonction de partition au point critique. Plusieurs chercheurs pensent cependant que le paradigme des théories des champs conformes rationnelles peut être élargi pour inclure les modèles statistiques avec des matrices de transfert non diagonalisables. Ces modèles seraient alors décrits, dans la limite d’échelle, par des théories des champs logarithmiques et les représentations de l’algèbre de Virasoro intervenant dans la description des observables physiques seraient indécomposables. La matrice de transfert de boucles D_N(λ, u), un élément de l’algèbre de Temperley- Lieb, se manifeste dans les théories physiques à l’aide des représentations de connectivités ρ (link modules). L’espace vectoriel sur lequel agit cette représentation se décompose en secteurs étiquetés par un paramètre physique, le nombre d de défauts. L’action de cette représentation ne peut que diminuer ce nombre ou le laisser constant. La thèse est consacrée à l’identification de la structure de Jordan de D_N(λ, u) dans ces représentations. Le paramètre β = 2 cos λ = −(q + 1/q) fixe la théorie : β = 1 pour la percolation et √2 pour le modèle d’Ising, par exemple. Sur la géométrie du ruban, nous montrons que D_N(λ, u) possède les mêmes blocs de Jordan que F_N, son plus haut coefficient de Fourier. Nous étudions la non diagonalisabilité de F_N à l’aide des divergences de certaines composantes de ses vecteurs propres, qui apparaissent aux valeurs critiques de λ. Nous prouvons dans ρ(D_N(λ, u)) l’existence de cellules de Jordan intersectorielles, de rang 2 et couplant des secteurs d, d′ lorsque certaines contraintes sur λ, d, d′ et N sont satisfaites. Pour le modèle de polymères denses critique (β = 0) sur le ruban, les valeurs propres de ρ(D_N(λ, u)) étaient connues, mais les dégénérescences conjecturées. En construisant un isomorphisme entre les modules de connectivités et un sous-espace des modules de spins du modèle XXZ en q = i, nous prouvons cette conjecture. Nous montrons aussi que la restriction de l’hamiltonien de boucles à un secteur donné est diagonalisable et trouvons la forme de Jordan exacte de l’hamiltonien XX, non triviale pour N pair seulement. Enfin nous étudions la structure de Jordan de la matrice de transfert T_N(λ, ν) pour des conditions aux frontières périodiques. La matrice T_N(λ, ν) a des blocs de Jordan intrasectoriels et intersectoriels lorsque λ = πa/b, et a, b ∈ Z×. L’approche par F_N admet une généralisation qui permet de diagnostiquer des cellules intersectorielles dont le rang excède 2 dans certains cas et peut croître indéfiniment avec N. Pour les blocs de Jordan intrasectoriels, nous montrons que les représentations de connectivités sur le cylindre et celles du modèle XXZ sont isomorphes sauf pour certaines valeurs précises de q et du paramètre de torsion v. En utilisant le comportement de la transformation i_N^d dans un voisinage des valeurs critiques (q_c, v_c), nous construisons explicitement des vecteurs généralisés de Jordan de rang 2 et discutons l’existence de blocs de Jordan intrasectoriels de plus haut rang.

Exposants géométriques des modèles de boucles dilués et idempotents des TL-modules de la chaîne de spins XXZ

Cette thèse porte sur les phénomènes critiques survenant dans les modèles bidimensionnels sur réseau. Les résultats sont l'objet de deux articles : le premier porte sur la mesure d'exposants critiques décrivant des objets géométriques du réseau et, le second, sur la construction d'idempotents projetant sur des modules indécomposables de l'algèbre de Temperley-Lieb pour la chaîne de spins XXZ. Le premier article présente des expériences numériques Monte Carlo effectuées pour une famille de modèles de boucles en phase diluée. Baptisés "dilute loop models (DLM)", ceux-ci sont inspirés du modèle O(n) introduit par Nienhuis (1990). La famille est étiquetée par les entiers relativement premiers p et p' ainsi que par un paramètre d'anisotropie. Dans la limite thermodynamique, il est pressenti que le modèle DLM(p,p') soit décrit par une théorie logarithmique des champs conformes de charge centrale c(\kappa)=13-6(\kappa+1/\kappa), où \kappa=p/p' est lié à la fugacité du gaz de boucles \beta=-2\cos\pi/\kappa, pour toute valeur du paramètre d'anisotropie. Les mesures portent sur les exposants critiques représentant la loi d'échelle des objets géométriques suivants : l'interface, le périmètre externe et les liens rouges. L'algorithme Metropolis-Hastings employé, pour lequel nous avons introduit de nombreuses améliorations spécifiques aux modèles dilués, est détaillé. Un traitement statistique rigoureux des données permet des extrapolations coïncidant avec les prédictions théoriques à trois ou quatre chiffres significatifs, malgré des courbes d'extrapolation aux pentes abruptes. Le deuxième article porte sur la décomposition de l'espace de Hilbert \otimes^nC^2 sur lequel la chaîne XXZ de n spins 1/2 agit. La version étudiée ici (Pasquier et Saleur (1990)) est décrite par un hamiltonien H_{XXZ}(q) dépendant d'un paramètre q\in C^\times et s'exprimant comme une somme d'éléments de l'algèbre de Temperley-Lieb TL_n(q). Comme pour les modèles dilués, le spectre de la limite continue de H_{XXZ}(q) semble relié aux théories des champs conformes, le paramètre q déterminant la charge centrale. Les idempotents primitifs de End_{TL_n}\otimes^nC^2 sont obtenus, pour tout q, en termes d'éléments de l'algèbre quantique U_qsl_2 (ou d'une extension) par la dualité de Schur-Weyl quantique. Ces idempotents permettent de construire explicitement les TL_n-modules indécomposables de \otimes^nC^2. Ceux-ci sont tous irréductibles, sauf si q est une racine de l'unité. Cette exception est traitée séparément du cas où q est générique. Les problèmes résolus par ces articles nécessitent une grande variété de résultats et d'outils. Pour cette raison, la thèse comporte plusieurs chapitres préparatoires. Sa structure est la suivante. Le premier chapitre introduit certains concepts communs aux deux articles, notamment une description des phénomènes critiques et de la théorie des champs conformes. Le deuxième chapitre aborde brièvement la question des champs logarithmiques, l'évolution de Schramm-Loewner ainsi que l'algorithme de Metropolis-Hastings. Ces sujets sont nécessaires à la lecture de l'article "Geometric Exponents of Dilute Loop Models" au chapitre 3. Le quatrième chapitre présente les outils algébriques utilisés dans le deuxième article, "The idempotents of the TL_n-module \otimes^nC^2 in terms of elements of U_qsl_2", constituant le chapitre 5. La thèse conclut par un résumé des résultats importants et la proposition d'avenues de recherche qui en découlent.

Transformations quasi-conformes de maillages volumiques et applications en infographie

La modélisation géométrique est importante autant en infographie qu'en ingénierie. Notre capacité à représenter l'information géométrique fixe les limites et la facilité avec laquelle on manipule les objets 3D. Une de ces représentations géométriques est le maillage volumique, formé de polyèdres assemblés de sorte à approcher une forme désirée. Certaines applications, tels que le placage de textures et le remaillage, ont avantage à déformer le maillage vers un domaine plus régulier pour faciliter le traitement. On dit qu'une déformation est \emph{quasi-conforme} si elle borne la distorsion. Cette thèse porte sur l’étude et le développement d'algorithmes de déformation quasi-conforme de maillages volumiques. Nous étudions ces types de déformations parce qu’elles offrent de bonnes propriétés de préservation de l’aspect local d’un solide et qu’elles ont été peu étudiées dans le contexte de l’informatique graphique, contrairement à leurs pendants 2D. Cette recherche tente de généraliser aux volumes des concepts bien maitrisés pour la déformation de surfaces. Premièrement, nous présentons une approche linéaire de la quasi-conformité. Nous développons une méthode déformant l’objet vers son domaine paramétrique par une méthode des moindres carrés linéaires. Cette méthode est simple d'implémentation et rapide d'exécution, mais n'est qu'une approximation de la quasi-conformité car elle ne borne pas la distorsion. Deuxièmement, nous remédions à ce problème par une approche non linéaire basée sur les positions des sommets. Nous développons une technique déformant le domaine paramétrique vers le solide par une méthode des moindres carrés non linéaires. La non-linéarité permet l’inclusion de contraintes garantissant l’injectivité de la déformation. De plus, la déformation du domaine paramétrique au lieu de l’objet lui-même permet l’utilisation de domaines plus généraux. Troisièmement, nous présentons une approche non linéaire basée sur les angles dièdres. Cette méthode définit la déformation du solide par les angles dièdres au lieu des positions des sommets du maillage. Ce changement de variables permet une expression naturelle des bornes de distorsion de la déformation. Nous présentons quelques applications de cette nouvelle approche dont la paramétrisation, l'interpolation, l'optimisation et la compression de maillages tétraédriques.

Development and Analysis of Microstrip Antennas For Dual Band Microwave Communication

The thesis explores the outcome of the exhaustive theoretical and experimental investigations performed on Octagonal Microstrip Antenna configurations. Development of the MATLAB TM backed 3D-Conformal Finite Difference Time Domain (CFDTD)Modeller for the numerical computation of the radiation characteristics of the antenna is the theme of the work. The predicted results are verified experimentally and by IE3D TM simulation. The influence of the patch dimensions,feed configurations,feed dimensions and feed positions upon the radiation performance of the antenna is studied in detail. Octagonal Microstrip Antenna configurations suitable for Mobile-Bluetooth application is dealt in detail. A simple design formula for the regular Octagonal geometry is also presented. A compact planar multi band antenna for GPS/DCS/2.4/5.8GHz WLAN application is included as appendix A. Planar near field measurement technique is explained in appendix B.

Preparation and Characterization ofHigh-k Aluminum Oxide Thin Films by Atomic Layer Deposition for Gate Dielectric Applications

Present work deals with the Preparation and characterization of high-k aluminum oxide thin films by atomic layer deposition for gate dielectric applications.The ever-increasing demand for functionality and speed for semiconductor applications requires enhanced performance, which is achieved by the continuous miniaturization of CMOS dimensions. Because of this miniaturization, several parameters, such as the dielectric thickness, come within reach of their physical limit. As the required oxide thickness approaches the sub- l nm range, SiO 2 become unsuitable as a gate dielectric because its limited physical thickness results in excessive leakage current through the gate stack, affecting the long-term reliability of the device. This leakage issue is solved in the 45 mn technology node by the integration of high-k based gate dielectrics, as their higher k-value allows a physically thicker layer while targeting the same capacitance and Equivalent Oxide Thickness (EOT). Moreover, Intel announced that Atomic Layer Deposition (ALD) would be applied to grow these materials on the Si substrate. ALD is based on the sequential use of self-limiting surface reactions of a metallic and oxidizing precursor. This self-limiting feature allows control of material growth and properties at the atomic level, which makes ALD well-suited for the deposition of highly uniform and conformal layers in CMOS devices, even if these have challenging 3D topologies with high aspect-ratios. ALD has currently acquired the status of state-of-the-art and most preferred deposition technique, for producing nano layers of various materials of technological importance. This technique can be adapted to different situations where precision in thickness and perfection in structures are required, especially in the microelectronic scenario.

Design of electron band pass filters for electrically biased finite superlattices

We design optimal band pass filters for electrons in semiconductor heterostructures, under a uniform applied electric field. The inner cells are chosen to provide a desired transmission window. The outer cells are then designed to transform purely incoming or outgoing waves into Bloch states of the inner cells. The transfer matrix is interpreted as a conformal mapping in the complex plane, which allows us to write constraints on the outer cell parameters, from which physically useful values can be obtained.

Octagonal Microstrip Patch Antenna For Dual Band Applications

A dual port dual polarized octagonal microstrip patch antenna suitable for dual band applications is discussed theoretically and experimentally. The antenna exhibits good impedance bandwidth, gain and broad radiation patterns. Parameters predicted by the Conformal Finite Difference Time Domain algorithm show good agreement with the simulated results and experimental observations

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