Système intelligent de détection et diagnostic de fautes en tomographie d'émission par positrons

La tomographie d'émission par positrons (TEP) est un outil de choix en imagerie moléculaire grâce à sa capacité à quantifier certains métabolismes et à porter des diagnostics précis sur l'évolution de pathologies. Cependant, la qualité du diagnostic est dépendante de la qualité de l'image obtenue. La complexité des appareils TEP fait en sorte que ceux-ci nécessitent des calibrations fréquentes demandant un professionnel qualifié dans le domaine que très peu de laboratoires pourvus d'un scanner possèdent. Conséquemment, ce projet vise à concevoir un système intelligent pouvant détecter des fautes et porter un diagnostic sur un scanner TEP de façon automatique dans le but de maximiser la qualité des images produites. Le système intelligent développé permettra alors de pallier à la surcharge ou à l'absence d'un professionnel en laboratoire puisqu'il automatisera le contrôle de qualité de l'appareil. Le projet englobe donc: l'identification de données permettant de détecter et diagnostiquer les fautes, l'implantation de système intelligent par module et de façon hiérarchique, la validation de l'exactitude des diagnostics et finalement l'évaluation de l'impact du système sur la qualité des images produites par le scanner. Pour arriver à son but, le système intelligent met en oeuvre différentes méthodes d'intelligence artificielle comprenant des réseaux de neurones artificiels, un système expert à base de règles et diverses méthodes de traitement de signal. Ce projet se penche plus spécifiquement sur le scanner LabPET, un scanner TEP pour petits animaux développé à Sherbrooke. LabPET est un bon candidat car il comporte un nombre élevé de canaux non interdépendants accentuant ainsi les bénéfices de la parallélisation apportés par le système proposé. Ainsi, les travaux ont permis de réaliser un système ayant une efficacité de détection et une exactitude de diagnostic dépassant les attentes et, une étude de l'impact du système sur la qualité des images a démontré une amélioration significative des paramètres de qualité d'image. Il en découle que le système est bien en mesure d'aider les professionnels dans l'entretien du scanner LabPET. Les résultats devraient permettre de promouvoir le développement de systèmes intelligents de détection et de diagnostic de fautes d'appareils TEP. Des systèmes similaires seront certainement nécessaires au bon fonctionnement des prochaines générations d'appareils TEP, et les résultats de ce projet pourront alors servir de référence

Application of novel technologies for the development of next generation MR compatible PET inserts

Multimodal imaging integrating Positron Emission Tomography and Magnetic Resonance Imaging (PET/MRI) has professed advantages as compared to other available combinations, allowing both functional and structural information to be acquired with very high precision and repeatability. However, it has yet to be adopted as the standard for experimental and clinical applications, due to a variety of reasons mainly related to system cost and flexibility. A hopeful existing approach of silicon photodetector-based MR compatible PET inserts comprised by very thin PET devices that can be inserted in the MRI bore, has been pioneered, without disrupting the market as expected. Technological solutions that exist and can make this type of inserts lighter, cost-effective and more adaptable to the application need to be researched further. In this context, we expand the study of sub-surface laser engraving (SSLE) for scintillators used for PET. Through acquiring, measuring and calibrating the use of a SSLE setting we study the effect of different engraving configurations on detection characteristics of the scintillation light by the photosensors. We demonstrate that apart from cost-effectiveness and ease of application, SSLE treated scintillators have similar spatial resolution and superior sensitivity and packing fraction as compared to standard pixelated arrays, allowing for shorter crystals to be used. Flexibility of design is benchmarked and adoption of honeycomb architecture due to geometrical advantages is proposed. Furthermore, a variety of depth-of-interaction (DoI) designs are engraved and studied, greatly enhancing applicability in small field-of-view tomographs, such as the intended inserts. To adapt to this need, a novel approach for multi-layer DoI characterization has been developed and is demonstrated. Apart from crystal treatment, considerations on signal transmission and processing are addressed. A double time-over-threshold (ToT) method is proposed, using the statistics of noise in order to enhance precision. This method is tested and linearity results demonstrate applicability for multiplexed readout designs. A study on analog optical wireless communication (aOWC) techniques is also performed and proof of concept results presented. Finally, a ToT readout firmware architecture, intended for low-cost FPGAs, has been developed and is described. By addressing the potential development, applicability and merits of a range of transdisciplinary solutions, we demonstrate that with these techniques it is possible to construct lighter, smaller, lower consumption, cost-effective MRI compatible PET inserts. Those designs can make PET/MRI multimodality the dominant clinical and experimental imaging approach, enhancing researcher and physician insight to the mysteries of life.La combinación multimodal de Tomografía por Emisión de Positrones con la Imagen de Resonancia Magnética (PET/MRI, de sus siglas en inglés) tiene clara ventajas en comparación con otras técnicas multimodales actualmente disponibles, dada su capacidad para registrar información funcional e información estructural con mucha precisión y repetibilidad. Sin embargo, esta técnica no acaba de penetrar en la práctica clínica debido en gran parte a alto coste. Las investigaciones que persiguen mejorar el desarrollo de insertos de PET basados en fotodetectores de silicio y compatibles con MRI, aunque han sido intensas y han generado soluciones ingeniosas, todavía no han conseguido encontrar las soluciones que necesita la industria. Sin embargo, existen opciones todavía sin explorar que podrían ayudar a evolucionar este tipo de insertos consiguiendo dispositivos más ligeros, baratos y con mejores prestaciones. Esta tesis profundiza en el estudio de grabación sub-superficie con láser (SSLE) para el diseño de los cristales centelladores usados en los sistemas PET. Para ello hemos caracterizado, medido y calibrado un procedimiento SSLE, y a continuación hemos estudiado el efecto que tienen sobre las especificaciones del detector las diferentes configuraciones del grabado. Demostramos que además de la rentabilidad y facilidad de uso de esta técnica, los centelladores SSLE tienen resolución espacial equivalente y sensibilidad y fracción de empaquetamiento superiores a las matrices de centelleo convencionales, lo que posibilita utilizar cristales más cortos para conseguir la misma sensibilidad. Estos diseños también permiten medir la profundidad de la interacción (DoI), lo que facilita el uso de estos diseños en tomógrafos de radio pequeño, como pueden ser los sistemas preclínicos, los dedicados (cabeza o mama) o los insertos para MRI. Además de trabajar en el tratamiento de cristal de centelleo, hemos considerado nuevas aproximaciones al procesamiento y transmisión de la señal. Proponemos un método innovador de doble medida de tiempo sobre el umbral (ToT) que integra una evaluación de la estadística del ruido con el propósito de mejorar la precisión. El método se ha validado y los resultados demuestran su viabilidad de uso incluso en conjuntos de señales multiplexadas. Un estudio de las técnicas de comunicación óptica analógica e inalámbrica (aOWC) ha permitido el desarrollo de una nueva propuesta para comunicar las señales del detector PET insertado en el gantry a un el procesador de señal externo, técnica que se ha validado en un demostrador. Finalmente, se ha propuesto y demostrado una nueva arquitectura de análisis de señal ToT implementada en firmware en FPGAs de bajo coste. La concepción y desarrollo de estas ideas, así como la evaluación de los méritos de las diferentes soluciones propuestas, demuestran que con estas técnicas es posible construir insertos de PET compatibles con sistemas MRI, que serán más ligeros y compactos, con un reducido consumo y menor coste. De esta forma se contribuye a que la técnica multimodal PET/MRI pueda penetrar en la clínica, mejorando la comprensión que médicos e investigadores puedan alcanzar en su estudio de los misterios de la vida.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Andrés Santos Lleó.- Secretario: Luis Hernández Corporales.- Vocal: Giancarlo Sportell

Design and validation of key components for the readout electronics of future PET scanners

This thesis work discusses the design and validation of two circuit components used in the electronic readout of positron emission tomography (PET) scanners for biomedical applications: a constant fraction discriminator (CFD) and an integrated CMOS time to digital converter (TDC). The former is used in the read out of a double-head PET scanner already developed by the group of medical physics at INFN Pisa for non-invasive dose delivery monitoring in hadrontherapy. The goal of the work has been the optimization of the front-end PCB in terms of timing performances so as to reduce the dead time and resolution at system level. A new CFD board has been implemented and experimental results have shown a significant enhancement of the timing characteristics which have enabled performing in-beam PET data acquisition which is fundamental in hadrontherapy treatment. The design of an integrated CMOS TDC to be used for the time of flight measurement in a magnetic field-compatible PET block detector is the second topic of the thesis. The required time resolutions, linear behaviour as well as the communication with other readout elements have been taken into account in the definition of the circuit topology. Cadence and Verilog simulations have shown that a bin size of 100 ps can be obtained with the combination of a submicron technology (UMC 65 nm LLLVT) and a pipeline approach where a 10 bit systolic counter coupled to a 4 stage delay locked loop (DLL) are exploited. This translates into a nominal resolution of 29 ps. In addition, the use of a short DLL leads to a high linearity which is an issue in PET measurements. Despite lower resolutions are obtained in literature with different TDC topologies, achieving good performances in terms of both time resolution and linearity is not straightforward. The converter also features a real-time validation algorithm which is capable to reject noise inputs generated by the photodetector without impairing the acquisition capability of the system. A standard-cell unit has been also designed which is in charge of data buffering and serial communication with external readout boards. A 47 bit output word is provided by the semi-custom stage at a measurement rate which is selectable between 31.25 MHz and 62.5 MHz with a double hit resolution of 170 ns. An 8 channel prototype of 1.875 x 1.875 mm2 has been submitted in March 2013 in order to validate simulated data with experimental results

Perspectives on Nuclear Medicine for Molecular Diagnosis and Integrated Therapy

nuclear medicine; diagnostic radiolog

Efficacité de détection en tomographie d'émission par positrons: une approche par intelligence artificielle

En Tomographie d'Émission par Positrons (TEP), la course à la résolution spatiale nécessite des détecteurs de plus en plus petits, produisant plus de diffusion Compton avec un impact négatif sur l’efficacité de détection du scanner. Plusieurs phénomènes physiques liés à cette diffusion Compton entachent tout traitement des coïncidences multiples d'une erreur difficile à borner et à compenser, tandis que le nombre élevé de combinaisons de détecteurs complexifie exponentiellement le problème. Cette thèse évalue si les réseaux de neurones constituent une alternative aux solutions existantes, problématiques parce que statistiquement incertaines ou complexes à mettre en œuvre. La thèse réalise une preuve de concept pour traiter les coïncidences triples et les inclure dans le processus de reconstruction, augmentant l'efficacité avec un minimum d'impact sur la qualité des images. L'atteinte des objectifs est validée via différents critères de performance comme le gain d'efficacité, la qualité de l'image et le taux de succès du calcul de la ligne de réponse (LOR), mesurés en priorité sur des données réelles. Des études paramétriques montrent le comportement général de la solution : un réseau entraîné avec une source générique démontre pour le taux d'identification de la LOR une bonne indépendance à la résolution en énergie ainsi qu'à la géométrie des détecteurs, du scanner et de la source, pourvu que l'on ait prétraité au maximum les données pour simplifier la tâche du réseau. Cette indépendance, qui n'existe en général pas dans les solutions existantes, laisse présager d'un meilleur potentiel de généralisation à d'autres scanners. Pour les données réelles du scanner LabPET[indice supérieur TM], la méthode atteint un gain d'efficacité aux alentours de 50%, présente une dégradation de résolution acceptable et réussit à recouvrer le contraste de manière similaire aux images de référence, en plus de fonctionner en temps réel. Enfin, plusieurs améliorations sont anticipées

The Human Auditory System

This book presents the latest findings in clinical audiology with a strong emphasis on new emerging technologies that facilitate and optimize a better assessment of the patient. The book has been edited with a strong educational perspective (all chapters include an introduction to their corresponding topic and a glossary of terms). The book contains material suitable for graduate students in audiology, ENT, hearing science and neuroscience

Small animal positron emission tomography with multi-wire proportional counters

Diese Arbeit behandelt Simulation, Design, Konstruktion und Test von Vieldrahtproportionalzähler (MWPC) basierten Detektoren für die Positronen-Emissions-Tomographie. Die kommerzielle quadHIDAC Klein-Tier PET Kamera wurde durch Simulationen untersucht und quantifiziert. Außerdem wurde die MSPET Kamera, ein optimierter, neuartiger Vieldrahtproportionalkammer-basierter Detektor für hochauflösende PET entwickelt, gebaut und getestet. This thesis treats the simulation, design, construction, testing and performance evaluation of multi-wire proportional counter (MWPC) based detectors for positron emission tomography. Simulations where used for the evaluation and quantification of the commercial quadHIDAC small animal PET camera. In addition the MSPET device, a new, optimised, multi-wire proportional counter-based detector for high-resolution PET was developed, constructed and tested

Libro de actas. XXXV Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica

596 p.CASEIB2017 vuelve a ser el foro de referencia a nivel nacional para el intercambio científico de conocimiento, experiencias y promoción de la I D i en Ingeniería Biomédica. Un punto de encuentro de científicos, profesionales de la industria, ingenieros biomédicos y profesionales clínicos interesados en las últimas novedades en investigación, educación y aplicación industrial y clínica de la ingeniería biomédica. En la presente edición, más de 160 trabajos de alto nivel científico serán presentados en áreas relevantes de la ingeniería biomédica, tales como: procesado de señal e imagen, instrumentación biomédica, telemedicina, modelado de sistemas biomédicos, sistemas inteligentes y sensores, robótica, planificación y simulación quirúrgica, biofotónica y biomateriales. Cabe destacar las sesiones dedicadas a la competición por el Premio José María Ferrero Corral, y la sesión de competición de alumnos de Grado en Ingeniería biomédica, que persiguen fomentar la participación de jóvenes estudiantes e investigadores