Moddicom: a Complete and Easily Accessible Library for Prognostic Evaluations Relying on Image Features

Decision Support Systems (DSSs) are increasingly exploited in the area of prognostic evaluations. For predicting the effect of therapies on patients, the trend is now to use image features, i.e. information that can be automatically computed by considering images resulting by analysis. The DSSs application as predictive tools is particularly suitable for cancer treatment, given the peculiarities of the disease –which is highly localised and lead to significant social costs– and the large number of images that are available for each patient. At the state of the art, there exists tools that allow to handle image features for prognostic evaluations, but they are not designed for medical experts. They require either a strong engineering or computer science background since they do not integrate all the required functions, such as image retrieval and storage. In this paper we fill this gap by proposing Moddicom, a user-friendly complete library specifically designed to be exploited by physicians. A preliminary experimental analysis, performed by a medical expert that used the tool, demonstrates the efficiency and the effectiveness of Moddicom

The Adaptive Gain Integrating Pixel Detector at the European XFEL

The Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD) is an x-ray imager, custom designed for the European x-ray Free-Electron Laser (XFEL). It is a fast, low noise integrating detector, with an adaptive gain amplifier per pixel. This has an equivalent noise of less than 1 keV when detecting single photons and, when switched into another gain state, a dynamic range of more than 10$^4$ photons of 12 keV. In burst mode the system is able to store 352 images while running at up to 6.5 MHz, which is compatible with the 4.5 MHz frame rate at the European XFEL. The AGIPD system was installed and commissioned in August 2017, and successfully used for the first experiments at the Single Particles, Clusters and Biomolecules (SPB) experimental station at the European XFEL since September 2017. This paper describes the principal components and performance parameters of the system.Comment: revised version after peer revie

Megapixels @ Megahertz -- The AGIPD High-Speed Cameras for the European XFEL

The European XFEL is an extremely brilliant Free Electron Laser Source with a very demanding pulse structure: trains of 2700 X-Ray pulses are repeated at 10 Hz. The pulses inside the train are spaced by 220 ns and each one contains up to $10^{12}$ photons of 12.4 keV, while being $\le 100$ fs in length. AGIPD, the Adaptive Gain Integrating Pixel Detector, is a hybrid pixel detector developed by DESY, PSI, and the Universities of Bonn and Hamburg to cope with these properties. It is a fast, low noise integrating detector, with single photon sensitivity (for $\text{E}_{\gamma} \ge 6$ keV) and a large dynamic range, up to $10^4$ photons at 12.4 keV. This is achieved with a charge sensitive amplifier with 3 adaptively selected gains per pixel. 352 images can be recorded at up to 6.5 MHz and stored in the in-pixel analogue memory and read out between pulse trains. The core component of this detector is the AGIPD ASIC, which consists of $64 \times 64$ pixels of $200 {\mu}\text{m} \times 200 {\mu}\text{m}$. Control of the ASIC's image acquisition and analogue readout is via a command based interface. FPGA based electronic boards, controlling ASIC operation, image digitisation and 10 GE data transmission interface AGIPD detectors to DAQ and control systems. An AGIPD 1 Mpixel detector has been installed at the SPB experimental station in August 2017, while a second one is currently commissioned for the MID endstation. A larger (4 Mpixel) AGIPD detector and one to employ Hi-Z sensor material to efficiently register photons up to $\text{E}_{\gamma} \approx 25$ keV are currently under construction.Comment: submitted to the proceedings of the ULITIMA 2018 conference, to be published in NIM

Development of LGAD sensors with a thin entrance window for soft X-ray detection

We show the developments carried out to improve the silicon sensor technology for the detection of soft X-rays with hybrid X-ray detectors. An optimization of the entrance window technology is required to improve the quantum efficiency. The LGAD technology can be used to amplify the signal generated by the X-rays and to increase the signal-to-noise ratio, making single photon resolution in the soft X-ray energy range possible. In this paper, we report first results obtained from an LGAD sensor production with an optimized thin entrance window. Single photon detection of soft X-rays down to 452~eV has been demonstrated from measurements, with a signal-to-noise ratio better than 20.Comment: 10 pages, 6 figure

Characterization of iLGADs using soft X-rays

Experiments at synchrotron radiation sources and X-ray Free-Electron Lasers in the soft X-ray energy range ($250$eV--$2$keV) stand to benefit from the adaptation of the hybrid silicon detector technology for low energy photons. Inverse Low Gain Avalanche Diode (iLGAD) sensors provide an internal gain, enhancing the signal-to-noise ratio and allowing single photon detection below $1$keV using hybrid detectors. In addition, an optimization of the entrance window of these sensors enhances their quantum efficiency (QE). In this work, the QE and the gain of a batch of different iLGAD diodes with optimized entrance windows were characterized using soft X-rays at the Surface/Interface:Microscopy beamline of the Swiss Light Source synchrotron. Above $250$eV, the QE is larger than $55\%$ for all sensor variations, while the charge collection efficiency is close to $100\%$. The average gain depends on the gain layer design of the iLGADs and increases with photon energy. A fitting procedure is introduced to extract the multiplication factor as a function of the absorption depth of X-ray photons inside the sensors. In particular, the multiplication factors for electron- and hole-triggered avalanches are estimated, corresponding to photon absorption beyond or before the gain layer, respectively.Comment: 16 pages, 8 figure

A field strength independent MR radiomics model to predict pathological complete response in locally advanced rectal cancer

PURPOSE: Aim of this study was to develop a generalised radiomics model for predicting pathological complete response after neoadjuvant chemo-radiotherapy in locally advanced rectal cancer patients using pre-CRT T2-weighted images acquired at a 1.5 T and a 3 T scanner. METHODS: In two institutions, 195 patients were scanned: 136 patients were scanned on a 1.5 T MR scanner, 59 patients on a 3 T MR scanner. Gross tumour volumes were delineated on the MR images and 496 radiomic features were extracted, applying the intensity-based (IB) filter. Features were standardised with Z-score normalisation and an initial feature selection was carried out using Wilcoxon-Mann-Whitney test: The most significant features at 1.5 T and 3 T were selected as main features. Several logistic regression models combining the main features with a third one selected by those resulting significant were elaborated and evaluated in terms of area under curve (AUC). A tenfold cross-validation was repeated 300 times to evaluate the model robustness. RESULTS: Three features were selected: maximum fractal dimension with IB = 0-50, energy and grey-level non-uniformity calculated on the run-length matrix with IB = 0-50. The AUC of the model applied to the whole dataset after cross-validation was 0.72, while values of 0.70 and 0.83 were obtained when 1.5 T and 3 T patients were considered, respectively. CONCLUSIONS: The model elaborated showed good performance, even when data from patients scanned on 1.5 T and 3 T were merged. This shows that magnetic field intensity variability can be overcome by means of selecting appropriate image features

A radiation tolerant pixel detector system for the ALICE and LHCb experiments at CERN

Le travail présenté dans cette thèse a été effectué au sein du groupe Microélectronique du CERN, le laboratoire européen pour la physique des particules. Il s’agit d’un laboratoire situé près de Genève en Suisse, il a été créé dans les années 50 pour donner aux scientifiques européens les moyens d'étudier la physique des hautes énergies (HEP, High Energy Physics). Grâce aux accélérateurs de particules conçus et réalisés au CERN (en particulier le LEP, Large Electron Positron) il a été possible de développer le « Modèle Standard », une théorie qui essaye d'expliquer la matière en termes de forces et de particules. Ce modèle a été testé avec succès par les expériences de physique des particules, cependant il est incomplet, car il ne prend pas en compte la masse des particules fondamentales. L'idée la plus simple pour inclure cette dernière s'appelle le mécanisme de Higgs. Ce mécanisme implique l’existence de une particule additionnelle, appelée le boson de Higgs, et un type additionnel de force, se manifestant par des échanges de ce boson. Pour évaluer cette hypothèse, ainsi que plusieurs autres phénomènes et théories, un nouvel accélérateur de particules est actuellement en construction au CERN, il s’agit du Large Hadron Collider (LHC). Le LHC sera l'accélérateur le plus puissant jamais construit. Le détecteur à pixels décrit dans cette thèse a été conçu pour l’expérience de physique ALICE du futur collisionneur LHC. Les scientifiques pensent qu’il y a eu un «Big Bang» initial duquel tout l’Univers connu a émergé. Quinze milliards d’années après, l’Univers est si grand que la lumière prendrait des milliards d’années à le traverser. Pourtant, au début, tout était contenu dans un volume comparable à celui d’une mouche. Toutes les particules qui forment la matière que nous connaissons aujourd’hui se sont alors formées. Les quarks et les gluons, qui sont les constituants des protons et des neutrons dans notre Univers refroidi, étaient alors trop chauds pour s’associer. Cet état de la matière initiale s’appelle un plasma quark-gluon (QGP). Découvrir et analyser le QGP est l’objectif principal d’ALICE. En effet, ALICE est un détecteur de collisions d’ions lourds conçu pour étudier la physique de la matière en interaction forte et le plasma quark-gluon dans les collisions de noyaux produits par le LHC. Dans les expériences autour du LHC (ALICE, LHCb, ATLAS, CMS, TOTEM) les particules seront accélérées pour atteindre des énergies de l’ordre du Tera Electron Volt (TeV) et des luminosités très élevées (1034 cm-2s-1 pour les protons et 1.95 1027 cm-2s-1 pour des ions de plomb). Cela implique des niveaux de rayonnement qui peuvent être très élevés, particulièrement pour les détecteurs situés très près du point d'interaction. Pour l'expérience ALICE, en dix ans de fonctionnement du LHC, la dose ionisante totale peut atteindre 2.5 103 Gy et la fluence équivalente neutrons 1 MeV peut atteindre 2.95 1012 MeV neq/cm2. Des niveaux de rayonnement beaucoup plus élevés peuvent être atteints dans les autres expériences. Ceci pose un problème majeur pour la réalisation de l'électronique située près du point d'interaction, qui est habituellement celle des détecteurs de trajectoires. Cet environnement extrême, et la spécificité de l'électronique des détecteurs de trajectoires, font qu’aucun composant commercial n'est disponible. Le choix du développement d’ASICs dédiés s’est donc imposé. Une possibilité aurait consisté à résoudre le problème de la tolérance au rayonnement par durcissement du procédé technologique. En particulier quelques fondeurs spécialisés fournissent un procédé durci qualifié sous rayonnement. Ces technologies dont la pérennité ne peut être assurée sont toujours très coûteuses et souffrent de plus de divers handicaps liés à la difficulté de production des circuit : performances réduites, stabilité du procédé, l’obtention de rendements acceptables. Le CERN a donc choisi de soutenir un projet de recherche (RD49) pour évaluer l’intérêt d’utiliser une technologie CMOS standard durcie aux effets des rayonnements par design (Hardening By Design, HBD). L'avantage de cette approche réside, en plus de son coût réduit, dans sa facilité d’adaptation aux nouvelles technologies submicroniques à venir. Le projet de construction du LHC s’échelonne sur une dizaine d’années, dans le même temps les technologies MOS évoluent très rapidement, les premiers essais de durcissement ont été effectués sur des technologies 0.5 μm. Celles-ci seront complètement obsolètes, tout comme les technologies durcies encore disponibles dans le commerce lorsque les approvisionnements de l’électronique pour les expériences du LHC seront réalisés. Jusqu’à ce jour, l’intégration qui accompagne l’évolution des composants s’accompagne d’une amélioration des caractéristiques des composants. D’ailleurs, plusieurs des circuits présentés dans cette thèse, ont été conçus en technologie CMOS standard 0.25 μm, durcis avec des techniques de HBD, ils répondent au cahier des charges pour l’électronique du détecteur à pixel en silicium de l'expérience ALICE (Silicon Pixel Detector, SPD), qui est le plus proche de l’aire de collision des particules. En particulier, le circuit ALICE1LHCb (ou Circuit Pixel) contient une matrice de 32 par 256 cellules de lecture (pour un total de 13 millions de transistors), mesurant 13.5 par 15.8 mm2. Des groupes de cinq circuits sont reliés électriquement par une technique de contact entre circuits sur des puces différentes, réalisés au moyen de rangées de billes métalliques microscopiques («bump-bonding»,). On obtient ainsi un grand senseur (160 colonnes par 256 lignes) qui forme le bloc de base qui constitue le SPD de l’expérience ALICE, dénommé «ladder». Un circuit est connecté à un senseur (de même dimensions, 32 colonnes par 256 lignes) pour former un «single», l'élément de base de détection pour le détecteur hybride à photons (Hybrid Photon Detectror, HPD) de l’expérience LHCb. Le circuit est également employé pour le détecteur de trajectoires de l'expérience NA60. Il utilise un schéma d’entrée différent des schèmes classiques, qui utilisent l'intégration de charges, la compensation pole-zéro et la mise en forme semi-gaussienne. Le circuit d’entrée réalise une configuration avec trois pôles (deux pôles complexes et un pôle réel, tous avec la même composante réelle), qui a été conçue pour supporter un fort taux d’occupation. Des tests minutieux de la puce, au laboratoire et sous irradiation dans un faisceau de particules, ont montré que ce circuit est entièrement fonctionnel et ce pour des doses allant jusqu'à 300 kGy