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.

Nouvelles stratégies pour l’analyse des cyanotoxines par spectrométrie de masse

Les cyanobactéries ont une place très importante dans les écosystèmes aquatiques et un nombre important d’espèces considéré comme nuisible de par leur production de métabolites toxiques. Ces cyanotoxines possèdent des propriétés très variées et ont souvent été associées à des épisodes d’empoisonnement. L’augmentation des épisodes d’efflorescence d’origine cyanobactériennes et le potentiel qu’ils augmentent avec les changements climatiques a renchéri l’intérêt de l’étude des cyanobactéries et de leurs toxines. Considérant la complexité chimique des cyanotoxines, le développement de méthodes de détection simples, sensibles et rapides est toujours considéré comme étant un défi analytique. Considérant ces défis, le développement de nouvelles approches analytiques pour la détection de cyanotoxines dans l’eau et les poissons ayant été contaminés par des efflorescences cyanobactériennes nuisibles a été proposé. Une première approche consiste en l’utilisation d’une extraction sur phase solide en ligne couplée à une chromatographie liquide et à une détection en spectrométrie de masse en tandem (SPE-LC-MS/MS) permettant l’analyse de six analogues de microcystines (MC), de l’anatoxine (ANA-a) et de la cylindrospermopsine (CYN). La méthode permet une analyse simple et rapide et ainsi que la séparation chromatographique d’ANA-a et de son interférence isobare, la phénylalanine. Les limites de détection obtenues se trouvaient entre 0,01 et 0,02 μg L-1 et des concentrations retrouvées dans des eaux de lacs du Québec se trouvaient entre 0,024 et 36 μg L-1. Une deuxième méthode a permis l’analyse du b-N-méthylamino-L-alanine (BMAA), d’ANA-a, de CYN et de la saxitoxine (STX) dans les eaux de lac contaminés. L’analyse de deux isomères de conformation du BMAA a été effectuée afin d’améliorer la sélectivité de la détection. L’utilisation d’une SPE manuelle permet la purification et préconcentration des échantillons et une dérivatisation à base de chlorure de dansyle permet une chromatographie simplifiée. L’analyse effectuée par LC couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) et des limites de détections ont été obtenues entre 0,007 et 0,01 µg L-1. Des échantillons réels ont été analysés avec des concentrations entre 0,01 et 0,3 µg L-1 permettant ainsi la confirmation de la présence du BMAA dans les efflorescences de cyanobactéries au Québec. Un deuxième volet du projet consiste en l’utilisation d’une technologie d’introduction d’échantillon permettant des analyses ultra-rapides (< 15 secondes/échantillons) sans étape chromatographique, la désorption thermique à diode laser (LDTD) couplée à l’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI) et à la spectrométrie de masse (MS). Un premier projet consiste en l’analyse des MC totales par l’intermédiaire d’une oxydation de Lemieux permettant un bris de la molécule et obtenant une fraction commune aux multiples congénères existants des MC. Cette fraction, le MMPB, est analysée, après une extraction liquide-liquide, par LDTD-APCI-MS/MS. Une limite de détection de 0,2 µg L-1 a été obtenue et des concentrations entre 1 et 425 µg L-1 ont été trouvées dans des échantillons d’eau de lac contaminés du Québec. De plus, une analyse en parallèle avec des étalons pour divers congénères des MC a permis de suggérer la possible présence de congénères ou d’isomères non détectés. Un deuxième projet consiste en l’analyse directe d’ANA-a par LDTD-APCI-HRMS pour résoudre son interférence isobare, la phénylalanine, grâce à la détection à haute résolution. La LDTD n’offre pas de séparation chromatographique et l’utilisation de la HRMS permet de distinguer les signaux d’ANA-a de ceux de la phénylalanine. Une limite de détection de 0,2 µg L-1 a été obtenue et la méthode a été appliquée sur des échantillons réels d’eau avec un échantillon positif en ANA-a avec une concentration de 0,21 µg L-1. Finalement, à l’aide de la LDTD-APCI-HRMS, l’analyse des MC totales a été adaptée pour la chair de poisson afin de déterminer la fraction libre et liée des MC et comparer les résultats avec des analyses conventionnelles. L’utilisation d’une digestion par hydroxyde de sodium précédant l’oxydation de Lemieux suivi d’une purification par SPE a permis d’obtenir une limite de détection de 2,7 µg kg-1. Des échantillons de poissons contaminés ont été analysés, on a retrouvé des concentrations en MC totales de 2,9 et 13,2 µg kg-1 comparativement aux analyses usuelles qui avaient démontré un seul échantillon positif à 2 µg kg-1, indiquant la possible présence de MC non détectés en utilisant les méthodes conventionnelles.

Analyse par spectrométrie de masse des antibiotiques vétérinaires liés à l’élevage porcin

L’élevage des porcs représente une source importante de déversement d’antibiotiques dans l’environnement par l’intermédiaire de l’épandage du lisier qui contient une grande quantité de ces molécules sur les champs agricoles. Il a été prouvé que ces molécules biologiquement actives peuvent avoir un impact toxique sur l’écosystème. Par ailleurs, elles sont aussi suspectées d’engendrer des problèmes sanitaires et de contribuer à la résistance bactérienne pouvant mener à des infections difficilement traitables chez les humains. Le contrôle de ces substances dans l’environnement est donc nécessaire. De nombreuses méthodes analytiques sont proposées dans la littérature scientifique pour recenser ces composés dans plusieurs types de matrice. Cependant, peu de ces méthodes permettent l’analyse de ces contaminants dans des matrices issues de l’élevage agricole intensif. Par ailleurs, les méthodes analytiques disponibles sont souvent sujettes à des faux positifs compte tenu de la complexité des matrices étudiées et du matériel utilisé et ne prennent souvent pas en compte les métabolites et produits de dégradation. Enfin, les niveaux d’analyse atteints avec ces méthodes ne sont parfois plus à jour étant donné l’évolution de la chimie analytique et de la spectrométrie de masse. Dans cette optique, de nouvelles méthodes d’analyses ont été développées pour rechercher et quantifier les antibiotiques dans des matrices dérivées de l’élevage intensif des porcs en essayant de proposer des approches alternatives sensibles, sélectives et robustes pour quantifier ces molécules. Une première méthode d’analyse basée sur une technique d’introduction d’échantillon alternative à l’aide d’une interface fonctionnant à l’aide d’une désorption thermique par diode laser munie d’une source à ionisation à pression atmosphérique, couplée à la spectrométrie de masse en tandem a été développée. L’objectif est de proposer une analyse plus rapide tout en atteignant des niveaux de concentration adaptés à la matrice étudiée. Cette technique d’analyse couplée à un traitement d’échantillon efficace a permis l’analyse de plusieurs antibiotiques vétérinaires de différentes classes dans des échantillons de lisier avec des temps d’analyse courts. Les limites de détection atteintes sont comprises entre 2,5 et 8,3 µg kg-1 et sont comparables avec celles pouvant être obtenues avec la chromatographie liquide dans une matrice similaire. En vue d’analyser simultanément une série de tétracyclines, une deuxième méthode d’analyse utilisant la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) a été proposée. L’utilisation de la HRMS a été motivée par le fait que cette technique d’analyse est moins sensible aux faux positifs que le triple quadripôle traditionnel. Des limites de détection comprises entre 1,5 et 3,6 µg kg-1 ont été atteintes dans des échantillons de lisier en utilisant un mode d’analyse par fragmentation. L’utilisation de méthodes de quantifications ciblées est une démarche intéressante lorsque la présence de contaminants est suspectée dans un échantillon. Toutefois, les contaminants non intégrés à cette méthode d’analyse ciblée ne peuvent être détectés même à de fortes concentrations. Dans ce contexte, une méthode d’analyse non ciblée a été développée pour la recherche de pharmaceutiques vétérinaires dans des effluents agricoles en utilisant la spectrométrie de masse à haute résolution et une cartouche SPE polymérique polyvalente. Cette méthode a permis l’identification d’antibiotiques et de pharmaceutiques couramment utilisés dans l’élevage porcin. La plupart des méthodes d’analyse disponibles dans la littérature se concentrent sur l’analyse des composés parents, mais pas sur les sous-produits de dégradation. L’approche utilisée dans la deuxième méthode d’analyse a donc été étendue et appliquée à d’autres classes d’antibiotiques pour mesurer les concentrations de plusieurs résidus d’antibiotiques dans les sols et les eaux de drainage d’un champ agricole expérimental. Les sols du champ renfermaient un mélange d’antibiotiques ainsi que leurs produits de dégradation relatifs à des concentrations mesurées jusqu’à 1020 µg kg-1. Une partie de ces composés ont voyagé par l’intermédiaire des eaux de drainage du champ ou des concentrations pouvant atteindre 3200 ng L-1 ont pu être relevées.

Synthèse et étude de nouvelles molécules potentiellement polymérisables pour la fabrication de matériaux électroluminescents : analogues du 1,3,5 benzènetripyrrole, méthyle 3,5-bipyrrolebenzoate et 6,12-diméthyle-1,5-dipyrrolediazocane

Pyrroles are found in various natural products and in the chemical composition of certain drugs because of their interesting biological properties. Lipitor, Tolmetin and Amtolmetin are examples of drugs with 1,2,5-substituted pyrroles in their composition, in which biological activities have been certified. Moreover, pyrroles are used as precursors of semiconductor polymers, oligomers and dendrimers useful for the synthesis of electroluminescent materials used in devices, such as organic light-emitting diodes, field-effect transistors, solar and organic photovoltaic cells. We are interested in conjugated polymers based on pyrrole due to their optical properties, electrochemical and the conductivity produced by electron delocalization along their carbon chains. The overall objective of the work presented in this thesis is the synthesis of new molecules based on pyrrole for studying their electronic and electrochemical properties as well for the synthesis of conjugated polymers. Initially, we performed the synthesis of 1,3,5-tri-(1-alkyl-5-methylpyrrol-2-yl)benzenes, which may serve as precursors for the synthesis of conjugated dendrimers. Their synthesis was made in three steps starting from trimethyl 1,3,5-benzene-tricarboxylate which was converted to 1,3,5-tri-(pent-4-enoyl)benzene using vinylmagnesium bromide in a Grignard reaction catalyzed by copper cyanide. The olefins of 1,3,5-tri-(pent-4-enoyl)benzene were oxidized to produce 1,3,5-tri-(4-oxopentanoyl)benzene using a modified protocol of the Tsuji-Wacker reaction. Subsequent, Paal-Knorr condensation reactions on 1,3,5-tri-(4-oxopentanoyl)benzene with different amines were used to synthesize 1,3,5-tri-(1-alkyl-5-methylpyrrol-2-yl)benzenes with different N-substituents in yields between 44 and 60%. Incomplete reaction of vinylmagnesium bromide with trimethyl 1,3,5-benzenetricarboxylate gave the methyl-3,5-di(pent-4-enoyl)benzoate, which was converted to methyl-3,5-dipyrrolylbenzoate following the reaction of Tsuji- Wacker and Paal-Knorr with yields between 30 and 60%. The photochemical and electrochemical properties of the 1,3,5-tri-(1-alkyl-5-methylpyrrol-2-yl)benzenes and methyl-3,5-dipyrrolylbenzoates were studied in collaboration with the research group of professor William Skene. The results have shown that both types of pyrrole have potential for the synthesis of conjugated polymers and dendrimers used in the manufacture of electroluminescent materials. Following these encouraging results, we performed the synthesis of 6,12-dimethyl-1,5-dipyrrolediazocane. Methyl N-(Boc)-β-alaninate was converted to its corresponding homoallylic ketone, which was oxidized to N-(Boc)aminoheptan-3,6-dione. The Paal-Knorr condensation between N-(Boc)aminoheptan-3,6-dione and aminoheptan-3,6-dione hydrochloride gave 6,12-dimethyl-1,5-dipyrrolediazocane in 17% yield. In sum, we have synthesized and characterized seven new molecules, six of them having photochemical and electrochemical properties interesting for the synthesis of conjugated polymers and dendrimers. The latter offering potential as precursor for the conception of compounds of therapeutic interest.

Spray Pyrolysed Zinc Oxide Thin Films : Effects of Doping and Ion Beam Irradiation

In recent years scientists have made rapid and significant advances in the field of semiconductor physics. One of the most important fields of current interest in materials science is the fundamental aspects and applications of conducting transparent oxide thin films (TCO). The characteristic properties of such coatings are low electrical resistivity and high transparency in the visible region. The first semitransparent and electrically conducting CdO film was reported as early as in 1907 [1]. Though early work on these films was performed out of purely scientific interest, substantial technological advances in such films were made after 1940. The technological interest in the study of transparent semiconducting films was generated mainly due to the potential applications of these materials both in industry and research. Such films demonstrated their utility as transparent electrical heaters for windscreens in the aircraft industry. However, during the last decade, these conducting transparent films have been widely used in a variety of other applications such as gas sensors [2], solar cells [3], heat reflectors [4], light emitting devices [5] and laser damage resistant coatings in high power laser technology [6]. Just a few materials dominate the current TCO industry and the two dominant markets for TCO’s are in architectural applications and flat panel displays. The architectural use of TCO is for energy efficient windows. Fluorine doped tin oxide (FTO), deposited using a pyrolysis process is the TCO usually finds maximum application. SnO2 also finds application ad coatings for windows, which are efficient in preventing radiative heat loss, due to low emissivity (0.16). Pyrolitic tin oxide is used in PV modules, touch screens and plasma displays. However indium tin oxide (ITO) is mostly used in the majority of flat panel display (FPD) applications. In FPDs, the basic function of ITO is as transparent electrodes. The volume of FPD’s produced, and hence the volume of ITO coatings produced, continues to grow rapidly. But the current increase in the cost of indium and the scarcity of this material created the difficulty in obtaining low cost TCOs. Hence search for alternative TCO materials has been a topic of active research for the last few decades. This resulted in the development of binary materials like ZnO, SnO2, CdO and ternary materials like II Zn2SnO4, CdSb2O6:Y, ZnSO3, GaInO3 etc. The use of multicomponent oxide materials makes it possible to have TCO films suitable for specialized applications because by altering their chemical compositions, one can control the electrical, optical, chemical and physical properties. But the advantages of using binary materials are the easiness to control the chemical compositions and depositions conditions. Recently, there were reports claiming the deposition of CdO:In films with a resistivity of the order of 10-5 ohm cm for flat panel displays and solar cells. However they find limited use because of Cd-Toxicity. In this regard, ZnO films developed in 1980s, are very useful as these use Zn, an abundant, inexpensive and nontoxic material. Resistivity of this material is still not very low, but can be reduced through doping with group-III elements like In, Al or Ga or with F [6]. Hence there is a great interest in ZnO as an alternative of ITO. In the present study, we prepared and characterized transparent and conducting ZnO thin films, using a cost effective technique viz Chemical Spray Pyrolysis (CSP). This technique is also suitable for large area film deposition. It involves spraying a solution, (usually aqueous) containing soluble salts of the constituents of the desired compound, onto a heated substrate.

A reconfiguration dual-frequency slot-loaded microstrip antenna controlled by pin diodes

A novel reconfigurable, single feed, dual frequency, dualpolarized operation of a hexagonal slot-loaded square mwrostrip antenna is presented in this paper. A pin diode incorporated in the slot is used to switch the two operating frequencies considerably, without significantly affecting the radiation characteristics and gain. The proposed antenna provides a size reduction up to 61% and 26% Jor the two resonating frequencies, compared to standard rectangular patches. This design also gives considerable bandwidth up to 3.3% and 4.27%, for the two frequencies with a low operating frequency ratio

Development of a varactor -controlled dual-frequency reconfigurable microstrip antenna

A new design for a compact electronically reconffgurable singlefeed dual frequency dual-polarized operation of a square-microstrip antenna capable of achieving tunable frequency ratios in the range 1.1 to 1.37 is proposed and experimentally studied. Varactor diodes inlegruted with the arms of the hexagonal slot and embedded in the square patch are used to tune the operating frequencies by applying reverse-bias voltage. The design has the advantage of size reduction up to 73.21% and 49.86% for the two resonant frequencies, respectively, as compared to standard rectangular patches. The antenna offers good bandwidth of 5.74% and 5.36% for the two operating frequencies. A highly simplified tuning circuitry without any transmission lines adds to the compactness of the design

Phase modulation of microwave signals using point contact Germanium signal diodes

A forward - biased point contact germanium signal diode placed inside a waveguide section along the E -vector is found to introduce significant phase shift of microwave signals . The usefulness of the arrangement as a phase modulator for microwave carriers is demonstrated. While there is a less significant amplitude modulation accompanying phase modulation , the insertion losses are found to be negligible. The observations can be explained on the basis of the capacitance variation of the barrier layer with forward current in the diode

A Compact Electronically Reconfigurable Dual Frequency Microstrip Antenna for L-Band Applications

A novel design of a computer electronically reconfigurable dual frequency dual polarized single feed hexagonal slot loaded microstrip antenna in L-band is introduced in this chapter. pin diodes are used to switch the operating frequencies considerably without much affecting the radiation characteristics and gain. the antenna can work with a frequency ratio varying in the wide range from 1.2 to 1.4. the proposed design has an added advantage of size reduction up to 72.21% and 46.84% for the two resonating frequencies compared to standard rectangular patches. the design also gives considerable bandwidth of up to 2.82% and 2.42 % for the operating frequencies.

Direction Dependent Transmission Characteristics of Dye Mixture Doped Polymer Optical Fibre Preforms

The direction dependant wavelength selective transmission mechanism in poly (methyl methacrylate)(PMMA) rods doped with C 540 dye and C 540:Rh.B dye mixture as a combination has been investigated. When a polished slice of pure C 540 doped polymer rod was used side by side with a C540:Rh B doped rod with acceptor concentration [A] = 7x10-4 m/l , we could notice more than 100% change in the transmitted intensity along opposite directions at the C 540, Rh B emission and the excitation wavelengths . A blue high bright LED emitting at a peak wavelength 465nm was used as the excitation source.

Direction Dependent Transmission Characteristics of Dye Mixture Doped Polymer Optical Fibre Preforms

The direction dependant wavelength selective transmission mechanism in poly (methyl methacrylate)(PMMA) rods doped with C 540 dye and C 540:Rh.B dye mixture as a combination has been investigated. When a polished slice of pure C 540 doped polymer rod was used side by side with a C540:Rh B doped rod with acceptor concentration [A] = 7x10-4 m/l , we could notice more than 100% change in the transmitted intensity along opposite directions at the C 540, Rh B emission and the excitation wavelengths . A blue high bright LED emitting at a peak wavelength 465nm was used as the excitation source.

Direction Dependent Transmission Characteristics of Dye Mixture Doped Polymer Optical Fibre Preforms

The direction dependant wavelength selective transmission mechanism in poly (methyl methacrylate)(PMMA) rods doped with C 540 dye and C 540:Rh.B dye mixture as a combination has been investigated. When a polished slice of pure C 540 doped polymer rod was used side by side with a C540:Rh B doped rod with acceptor concentration [A] = 7x10-4 m/l , we could notice more than 100% change in the transmitted intensity along opposite directions at the C 540, Rh B emission and the excitation wavelengths . A blue high bright LED emitting at a peak wavelength 465nm was used as the excitation source.

Nonlinear Dynamics of Nd:YAG lasers: Hopf bifurcation, Multistability and Chaotic Synchronization

In this thesis we have presented some aspects of the nonlinear dynamics of Nd:YAG lasers including synchronization, Hopf bifurcation, chaos control and delay induced multistability.We have chosen diode pumped Nd:YAG laser with intracavity KTP crystal operating with two mode and three mode output as our model system.Different types of orientation for the laser cavity modes were considered to carry out the studies. For laser operating with two mode output we have chosen the modes as having parallel polarization and perpendicular polarization. For laser having three mode output, we have chosen them as two modes polarized parallel to each other while the third mode polarized orthogonal to them.

Spectroscopic Investigation of Tooth Caries and Demineralization

Dental caries persists to be the most predominant oral disease in spite of remarkable progress made during the past half- century to reduce its prevalence. Early diagnosis of carious lesions is an important factor in the prevention and management of dental caries. Conventional procedures for caries detection involve visual-tactile and radiographic examination, which is considered as “gold standard”. These techniques are subjective and are unable to detect the lesions until they are well advanced and involve about one-third of the thickness of enamel. Therefore, all these factors necessitate the need for the development of new techniques for early diagnosis of carious lesions. Researchers have been trying to develop various instruments based on optical spectroscopic techniques for detection of dental caries during the last two decades. These optical spectroscopic techniques facilitate noninvasive and real-time tissue characterization with reduced radiation exposure to patient, thereby improving the management of dental caries. Nonetheless, a costeffective optical system with adequate sensitivity and specificity for clinical use is still not realized and development of such a system is a challenging task.Two key techniques based on the optical properties of dental hard tissues are discussed in this current thesis, namely laser-induced fluorescence (LIF) and diffuse reflectance (DR) spectroscopy for detection of tooth caries and demineralization. The work described in this thesis is mainly of applied nature, focusing on the analysis of data from in vitro tooth samples and extending these results to diagnose dental caries in a clinical environment. The work mainly aims to improve and contribute to the contemporary research on fluorescence and diffuse reflectance for discriminating different stages of carious lesions. Towards this, a portable and compact laser-induced fluorescence and reflectance spectroscopic system (LIFRS) was developed for point monitoring of fluorescence and diffuse reflectance spectra from tooth samples. The LIFRS system uses either a 337 nm nitrogen laser or a 404 nm diode laser for the excitation of tooth autofluorescence and a white light source (tungsten halogen lamp) for measuring diffuse reflectance.Extensive in vitro studies were carried out on extracted tooth samples to test the applicability of LIFRS system for detecting dental caries, before being tested in a clinical environment. Both LIF and DR studies were performed for diagnosis of dental caries, but special emphasis was given for early detection and also to discriminate between different stages of carious lesions. Further the potential of LIFRS system in detecting demineralization and remineralization were also assessed.In the clinical trial on 105 patients, fluorescence reference standard (FRS) criteria was developed based on LIF spectral ratios (F500/F635 and F500/F680) to discriminate different stages of caries and for early detection of dental caries. The FRS ratio scatter plots developed showed better sensitivity and specificity as compared to clinical and radiographic examination, and the results were validated with the blindtests. Moreover, the LIF spectra were analyzed by curve-fitting using Gaussian spectral functions and the derived curve-fitted parameters such as peak position, Gaussian curve area, amplitude and width were found to be useful for distinguishing different stages of caries. In DR studies, a novel method was established based on DR ratios (R500/R700, R600/R700 and R650/R700) to detect dental caries with improved accuracy. Further the diagnostic accuracy of LIFRS system was evaluated in terms of sensitivity, specificity and area under the ROC curve. On the basis of these results, the LIFRS system was found useful as a valuable adjunct to the clinicians for detecting carious lesions.

Photothermal Investigations on Certain Plasma Polymerized Thin Films and Near IR Overtone Studies of Some Organic Molecules

Photothermal effect refers to heating of a sample due to the absorption of electromagnetic radiation. Photothermal (PT) heat generation which is an example of energy conversion has in general three kinds of applications. 1. PT material probing 2. PT material processing and 3. PT material destruction. The temperatures involved increases from 1-. 3. Of the above three, PT material probing is the most important in making significant contribution to the field of science and technology. Photothermal material characterization relies on high sensitivity detection techniques to monitor the effects caused by PT material heating of a sample. Photothermal method is a powerful high sensitivity non-contact tool used for non-destructive thermal characterization of materials. The high sensitivity of the photothermal methods has led to its application for analysis of low absorbance samples. Laser calorimetry, photothermal radiometry, pyroelectric technique, photoacoustic technique, photothermal beam deflection technique, etc. come under the broad class ofphotothermal techniques. However the choice of a suitable technique depends upon the nature of the sample, purpose of measurement, nature of light source used, etc. The present investigations are done on polymer thin films employing photothermal beam deflection technique, for the successful determination of their thermal diffusivity. Here the sample is excited by a He-Ne laser (A = 6328...\ ) which acts as the pump beam. Due to the refractive index gradient established in the sample surface and in the adjacent coupling medium, another optical beam called probe beam (diode laser, A= 6500A ) when passed through this region experiences a deflection and is detected using a position sensitive detector and its output is fed to a lock-in amplifier from which the amplitude and phase of the deflection can be directly obtained. The amplitude and phase of the signal is suitably analysed for determining the thermal diffusivity.The production of polymer thin film samples has gained considerable attention for the past few years. Plasma polymerization is an inexpensive tool for fabricating organic thin films. It refers to formation of polymeric materials under the influence of plasma, which is generated by some kind of electric discharge. Here plasma of the monomer vapour is generated by employing radio frequency (MHz) techniques. Plasma polymerization technique results in homogeneous, highly adhesive, thermally stable, pinhole free, dielectric, highly branched and cross-linked polymer films. The possible linkage in the formation of the polymers is suggested by comparing the FTIR spectra of the monomer and the polymer.Near IR overtone investigations on some organic molecules using local mode model are also done. Higher vibrational overtones often provide spectral simplification and greater resolution of peaks corresponding to nonequivalent X-H bonds where X is typically C, N or O. Vibrational overtone spectroscopy of molecules containing X-H oscillators is now a well established tool for molecular investigations. Conformational and steric differences between bonds and structural inequivalence ofCH bonds (methyl, aryl, acetylenic, etc.) are resolvable in the higher overtone spectra. The local mode model in which the X-H oscillators are considered to be loosely coupled anharmonic oscillators has been widely used for the interpretation of overtone spectra. If we are exciting a single local oscillator from the vibrational ground state to the vibrational state v, then the transition energy of the local mode overtone is given by .:lE a......v = A v + B v2 • A plot of .:lE / v versus v will yield A, the local mode frequency as the intercept and B, the local mode diagonal anharmonicity as the slope. Here A - B gives the mechanical frequency XI of the oscillator and B = X2 is the anharmonicity of the bond. The local mode parameters XI and X2 vary for non-equivalent X-H bonds and are sensitive to the inter and intra molecular environment of the X-H oscillator.