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.

Dynamic characterization of olfactory receptors in the fruit fly Drosophila melanogaster

Temporal changes in odor concentration are vitally important to many animals orienting and navigating in their environment. How are such temporal changes detected? Within the scope of the present work an accurate stimulation and analysis system was developed to examine the dynamics of physiological properties of Drosophila melanogaster olfactory receptor organs. Subsequently a new method for delivering odor stimuli was tested and used to present the first dynamic characterization of olfactory receptors at the level of single neurons. Initially, recordings of the whole antenna were conducted while stimulating with different odors. The odor delivery system allowed the dynamic characterization of the whole fly antenna, including its sensilla and receptor neurons. Based on the obtained electroantennogram data a new odor delivery method called digital sequence method was developed. In addition the degree of accuracy was enhanced, initially using electroantennograms, and later recordings of odorant receptor cells at the single sensilla level. This work shows for the first time that different odors evoked different responses within one neuron depending on the chemical structure of the odor. The present work offers new insights into the dynamic properties of olfactory transduction in Drosophila melanogaster and describes time dependent parameters underlying these properties.

Cooperative Physics of Fly Swarms: An Emergent Behavior

We have simulated the behavior of several artificial flies, interacting visually with each other. Each fly is described by a simple tracking system (Poggio and Reichardt, 1973; Land and Collett, 1974) which summarizes behavioral experiments in which individual flies fixate a target. Our main finding is that the interaction of theses implemodules gives rise to a variety of relatively complex behaviors. In particular, we observe a swarm-like behavior of a group of many artificial flies for certain reasonable ranges of our tracking system parameters.

On-the-Fly Maintenance of Series-Parallel Relationships in Fork-Join Multithreaded Programs

A key capability of data-race detectors is to determine whether one thread executes logically in parallel with another or whether the threads must operate in series. This paper provides two algorithms, one serial and one parallel, to maintain series-parallel (SP) relationships "on the fly" for fork-join multithreaded programs. The serial SP-order algorithm runs in O(1) amortized time per operation. In contrast, the previously best algorithm requires a time per operation that is proportional to Tarjan’s functional inverse of Ackermann’s function. SP-order employs an order-maintenance data structure that allows us to implement a more efficient "English-Hebrew" labeling scheme than was used in earlier race detectors, which immediately yields an improved determinacy-race detector. In particular, any fork-join program running in T₁ time on a single processor can be checked on the fly for determinacy races in O(T₁) time. Corresponding improved bounds can also be obtained for more sophisticated data-race detectors, for example, those that use locks. By combining SP-order with Feng and Leiserson’s serial SP-bags algorithm, we obtain a parallel SP-maintenance algorithm, called SP-hybrid. Suppose that a fork-join program has n threads, T₁ work, and a critical-path length of T[subscript ∞]. When executed on P processors, we prove that SP-hybrid runs in O((T₁/P + PT[subscript ∞]) lg n) expected time. To understand this bound, consider that the original program obtains linear speed-up over a 1-processor execution when P = O(T₁/T[subscript ∞]). In contrast, SP-hybrid obtains linear speed-up when P = O(√T₁/T[subscript ∞]), but the work is increased by a factor of O(lg n).

Tsetse fly

These are magnified photographs of tsetse flies.

Fly traps! : plants that bite back.

Historia sobre el mundo real donde se describe cómo un hombre investiga el mundo de las plantas carnívoras. Escrita desde un punto de vista muy personal, mezclando hechos con sentimientos, anima a los niños a pensar, sentir e imaginar lo que aprenden. El diseño de página tiene interesantes variaciones al diferenciar entre la historia y la información. El viaje del hombre se cuenta en caracteres grandes, mientras que los hechos sobre las plantas carnívoras están escritos con una letra más pequeña,lo que da una gran cantidad de información en una forma entretenida. Especialmente interesantes son las descripciones de cómo las plantas comen los insectos que capturan. Al final hay notas para el profesor.

I wonder why countries fly flags : and other questions about people and places.

Pertenece a una colección que quiere despertar la curiosidad de los pequeños lectores y desarrollar sus destrezas de lectura. En este caso, se tratan varios conceptos, el de país y el de bandera, ésta como una especie de insignia nacional. También, se explican otros temas, el número de países y de idiomas existentes, las características de algunas ciudades, sus tipos de viviendas, el folclore.

The interrelationships of winter wheat cultivars, crop density and competition of naturally occurring weed flora

The effects of intraspecific and interspecific competition on a wide range of winter wheat cultivars were investigated in two consecutive split plot field experiments. Significant reductions of grain yield at greatly reduced seed rates were observed in the first experiment, whereas increasing crop density up to 380 plants m(-2) in the second experiment failed to produce a significant yield response due to compensation through increased ears and grains per plant at lower crop densities. Appreciable weed suppression and acceptable grain yield can be achieved at crop densities between 150 and 270 plants m(-2). Reductions in final yield due to weed competition occurred in both experiments; 11.7 and 13.6% for the first and second experiment, respectively, with the onset of weed competition occurring from tittering in the first experiment and from stem elongation in the second. The possibility of enhancing crop competitiveness for weed suppression and improved grain yield is discussed.