Super-résolution des images d'IRM cérébrale : de la recherche à la clinique grâce aux approches d’apprentissage automatique.
L’imagerie par résonance magnétique (IRM) cérébrale est une modalité de référence pour le diagnostic des pathologies neurologiques. L’acquisition d’images haute résolution (HR) reste toutefois limitée en pratique clinique en raison des contraintes de temps d'occupation scanner, de confort des patients, et de corruption des images par le mouvement des patients. Le gain de signal apporté par la montée du champ magnétique permet d'augmenter la résolution spatiale des images pour un temps d'acquisition donné. Ce projet vise à tirer parti de la haute résolution atteignable avec l'IRM 11.7T Iseult, actuellement la plus puissante au monde, pour entraîner des modèles de super-résolution (SR) basés sur un apprentissage automatique, dans le but d’améliorer la résolution spatiale des images 3T couramment utilisées en clinique. Dans les approches existantes, les modèles sont entraînés majoritairement à partir d'images issues de bases de données publiques, en faisant correspondre des paires d'images haute et basse résolution, les données basse résolution étant générées de manière synthétique. Ici, nous exploiterons un jeu de données réel constitué d'images acquises à 3T et 11.7T sur une même cohorte, ce qui garantit une plus grande fidélité anatomique et permet une évaluation rigoureuse du risque d'hallucination, c'est-à-dire de générer de faux détails anatomiques susceptibles d'être mal interprétés par le praticien. Ce projet s’articulera en plusieurs étapes : il s'agira d'abord d'améliorer la qualité des images produites à 11.7T (notamment par la correction du mouvement et des artefacts présents sur les images d'Iseult), puis d'acquérir des images à 3T et 11.7T, de développer et valider des modèles de SR, et enfin d'évaluer leur performance sur des bases de données publiques. Ce travail ouvre la voie à une intégration fiable des méthodes de SR dans la pratique clinique, en permettant de manière indirecte aux IRM conventionnelles de bénéficier des performances uniques d'Iseult.
Modélisation d'une diode magnonique basée sur la non-réciprocité des ondes de spin dans les nanofils et les nanotubes
Ce projet de doctorat porte sur le phénomène émergent de non-réciprocité des ondes de spin dans les fils magnétiques cylindriques, de leurs propriétés fondamentales jusqu'à leur exploitation pour la réalisation de dispositifs à base de diodes magnoniques. Des expériences préliminaires menées dans notre laboratoire SPINTEC sur des fils cylindriques, avec une aimantation axiale dans le cœur et azimutale à la surface du fil, ont révélé un effet asymétrique géant (courbes de dispersion asymétriques avec des vitesses et des périodes différentes pour les ondes se propageant vers la gauche et vers la droite), créant même une bande interdite pour une direction de mouvement donnée, liée à la circulation de la magnétisation (vers la droite ou vers la gauche). Cette situation particulière n'a pas encore été décrite théoriquement ni modélisée, ce qui constitue un terrain inexploré et prometteur pour ce projet de doctorat. Pour modéliser la propagation des ondes de spin et dériver les courbes de dispersion pour un matériau donné, nous prévoyons d'utiliser divers outils numériques : notre logiciel micromagnétique 3D par éléments finis feeLLGood et le logiciel 2D open source TetraX dédié aux calculs de modes propres et spectres associés. Ce travail sera mené en étroite collaboration avec des expérimentateurs, dans le but à la fois d'expliquer les résultats expérimentaux et d'orienter les futures expériences et les axes de recherche.
Nanoplaquettes de semi-conducteurs III-V
Les nanoplaquettes semi-conducteurs (NPLs) sont une classe de nanostructures bidimensionnelles qui possèdent des propriétés électroniques et optiques distinctes de celles des quantum dots sphériques (QDs). Ils présentent un confinement quantique fort dans une seule dimension, l'épaisseur, qui peut être contrôlée à la monocouche près par des méthodes de synthèse chimique en solution. De ce fait les NPLs émettent une lumière avec une largeur spectrale extrêmement étroite. En même temps, ils présentent un coefficient d’absorption très élevé. Ces propriétés en font des candidats idéals pour différentes applications (diodes électroluminescentes pour des écrans à consommation électrique réduite, photocatalyse, émetteurs à photons uniques, lasers,…).
Pour l’instant seule la synthèse de NPLs de chalcogénures de métaux est maîtrisée. Ces matériaux présentent soit des éléments toxiques (CdSe, HgTe, etc.) soit une grande largeur de bande interdite (ZnS, ZnSe). Pour ces raisons le développement des méthodes de synthèse pour des NPLs de semi-conducteurs III-V, tel que l’InP, InAs et InSb présente un grand enjeu. Dans cette thèse nous développerons des nouvelles approches synthétiques pour la croissance des NPLs d’InP, explorant différentes voies et utilisant des caractérisations in situ ainsi que la méthode de plans d’expérience assistée par machine learning. Des simulations numériques seront utilisées pour déterminer la réactivité des précurseurs et pour modéliser les mécanismes induisant la croissance anisotrope.
Marquage rapide d'anticorps au fluor-18 : vers des procédés simplifiés et performants pour l'imagerie médicale
Le développement d’outils innovants en imagerie médicale constitue un levier majeur pour le diagnostic précoce et précis du cancer. L’association de l’imagerie TEP et des anticorps comme vecteurs de ciblage s’inscrit parmi les approches les plus spécifiques pour la détection des tumeurs. Ce potentiel se traduit par une utilisation massive de ces outils en recherche préclinique, mais leur transfert vers une clinique de routine demeure un défi, notamment en raison de la dosimétrie non négligeable des émetteurs de positions utilisés (89Zr, 64Cu).
Ce projet de thèse vise à développer une technologie de marquage des anticorps en exploitant le fluor-18, isotope de référence pour l’imagerie TEP en clinique. Le marquage des anticorps ayant un temps de distribution compatible avec cet isotope relève d’une complexité technique importante et nécessite un temps non négligeable au regard de la demi-vie du fluor-18. L’objectif de ce projet est de simplifier et d’accélérer ce processus grâce au développement d’une étiquette chimique qui permettrait le marquage de l’anticorps directement avec le fluor-18 produit par le cyclotron, de manière analogue aux radiométaux à vie plus longue utilisés classiquement. De nombreux défis seront à relever sur le développement de cette étiquette, tels que la consolidation de son radiomarquage au fluor-18 ainsi que sa bioconjugaison à l’anticorps, afin d’offrir un outil simple, rapide et transposable à une utilisation clinique.
Un nouveau matériau altermagnétique aux propriétés remarquables pour la spintronique
Les altermagnétiques constituent une nouvelle classe de matériaux magnétiques qui combinent de manière unique les avantages des ferromagnétiques (polarisation de spin des courants électriques) et des antiferromagnétiques (robustesse face aux champs magnétiques et dynamique de spin ultrarapide). Dans le cadre d’une collaboration internationale, nous avons découvert expérimentalement l’un des tout premiers et encore rares altermagnétiques disponibles, Mn5Si3, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles recherches fondamentales et appliquées. Jusqu’à présent, le Mn5Si3 était principalement synthétisé par épitaxie par jets moléculaires, une méthode de haute précision mais présentant certaines limitations pour des études plus larges. Notre objectif est désormais de développer la croissance du Mn5Si3 par pulvérisation à haute température, une technique plus polyvalente et compatible avec les procédés industriels, afin d’explorer et démontrer ses propriétés de spin exceptionnelles.
ETUDE DES PROPRIETES COLLECTIVES NUCLEAIRES DU 232Th AVEC LE SPECTROMETRE AGATA
L'étude des noyaux atomiques dits « déformés » avec une distribution de charge non sphérique est essentielle pour tester les interactions nucléaires et les modèles de structure. Ces noyaux déformés présentent un schéma très particulier d'états excités, connus sous le nom de « bandes rotationnelles ». Ces bandes peuvent être construites sur des états avec une déformation différente ou une structure intrinsèque différente (coexistence de formes). Le sujet de la thèse porte sur l'étude expérimentale des propriétés macroscopiques et microscopiques du noyau du 232Th. Ce noyau présente une grande variété de bandes rotationnelles qui seraient dues aux vibrations de la surface nucléaire dit quadripolaire (oscillations entre les formes allongées et aplaties) et octupolaire (oscillations entre la forme sphérique et la forme de poire). Ces derniers ont notamment suscité beaucoup d'intérêt récemment, car les noyaux déformés octupolaires peuvent être utilisés pour déterminer le moment dipolaire électrique des noyaux, une question fondamentale en physique en général. Dans notre cas particulier il s'agit de caractériser pour la premier fois sur tous les noyaux le quadruplet des bandes octupolaires attendue dans un noyau fortement déformé. Par ailleurs, ce noyau est aussi le seul example qui montre une bande rotationnel bâti sur une double-vibration quadripolaire.
Nous étudierons ces formes variées en utilisant la puissante technique d'excitation coulombienne, qui est la méthode la plus directe pour déterminer la forme des noyaux dans leurs états excités. L'expérience sera réalisée à l'aide d'AGATA, un spectromètre gamma de nouvelle génération, constitué d'un grand nombre de cristaux de germanium finement segmentés, qui permet d'identifier chaque point d'interaction d'un rayon gamma a l’intérieur du détecteur puis, à l'aide du concept innovant du «gamma-ray tracking », permet de reconstruire les énergies de tous les rayons gamma émis et leurs angles d'émission avec une précision sans précédent. Une experience complémentaire sera réalisé au laboratoire d'ions lourds (HIL) Varsovie ce qui permettra de mieux interpréter les données très complexe fourni par AGATA.
MINI-BINGO : vers la révélation de la nature du neutrino
BINGO est un projet novateur en physique des neutrinos, conçu pour poser les bases d'une expérience bolométrique à grande échelle dédiée à la recherche de la désintégration double bêta sans neutrinos. L’objectif est de réaliser une expérience avec un indice de bruit de fond extrêmement bas, de l’ordre de 10^-5 coups/(keV·kg·an), tout en atteignant une très haute résolution en énergie dans la région d’intérêt. Ces performances permettront d’explorer la violation du nombre leptonique avec une sensibilité sans précédent.
Le projet repose sur la technologie des bolomètres luminescents, particulièrement efficaces pour rejeter le bruit de fond dominant, à savoir les alphas de surface. Il se concentre sur deux isotopes extrêmement prometteurs, le molybdène-100 (100Mo) et le tellure-130 (130Te), aux propriétés complémentaires, tous deux dignes d’intérêt pour les recherches futures à grande échelle.
BINGO introduira trois innovations majeures dans le domaine bien établi des bolomètres hybrides chaleur-lumière. La première consiste en une augmentation de la sensibilité des détecteurs de lumière grâce à l’amplification Neganov-Luke, permettant un gain d’un ordre de grandeur. La deuxième innovation repose sur un assemblage de détecteurs entièrement repensé, capable de réduire d’au moins un ordre de grandeur la contribution de la radioactivité de surface. Enfin, pour la première fois dans un ensemble de macrobolomètres, un écran actif interne basé sur des scintillateurs BGO ultrapurs, avec lecture bolométrique de la lumière, permettra de supprimer efficacement le bruit de fond gamma externe.
Dans le cadre de cette thèse, l’étudiant(e) participera à l’assemblage et à l’installation du démonstrateur MINI-BINGO dans le cryostat récemment mis en place au Laboratoire Souterrain de Modane. Il ou elle contribuera à la prise de données, à leur analyse et à l’estimation du niveau de rejet du bruit de fond rendu possible par les performances finales du détecteur.
Optimisation de détecteurs de rayonnement gamma pour l’imagerie médicale. Tomographie par émission de positrons temps de vol
Introduction
Les technologies innovantes d’imagerie fonctionnelles contribuent à la priorité sur les Médecines du Futur du CEA. La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique d'imagerie médicale nucléaire largement utilisée en oncologie et en neurobiologie.
La désintégration du traceur radioactif émet des positrons, qui s'annihilent en deux photons de 511 keV. Ces photons sont détectées en coïncidence et utilisées pour reconstituer la distribution de l'activité du traceur dans le corps du patient.
Nous vous proposons de contribuer au développement d’une technologie ambitieuse et brevetée : ClearMind. Le premier prototype est à nos laboratoires. Ce détecteur de photons gamma utilise un scintillant cristal monolithique de haute densité et grand Z, dans lequel sont produits des photons Cherenkov et de scintillation. Ces photons optiques sont convertis en électrons par une couche photo-électrique et multipliés dans une galette à microcanaux. Les signaux électriques induits sont amplifiés par des amplificateurs gigahertz et numérisés par les modules d'acquisition rapide SAMPIC. La face opposée du cristal sera équipée d'une matrice de photo-détecteur en silicium (SiPM).
Aujourd’hui nous disposons d’un premier prototype. Nous travaillons a en construire deux supplémentaires.
Le travail proposé
Vous travaillerez dans un laboratoire d’instrumentation avancé dans un environnement de physique des particules.
Il s’agira d’abord d’optimiser les « composants » des détecteurs ClearMind, pour parvenir à des performances nominales. Nous travaillerons sur les cristaux scintillants, les interfaces optiques, les couches photo-électriques et les photo-détecteurs rapides associés (MCP-PMT et SiPM), les électroniques de lectures.
Il s’agira ensuite de caractériser les performances des détecteurs prototypes sur nos bancs de mesure en développement continu. Les données acquises seront interprétées au moyen de logiciels d’analyse « maison » écris en langage C++ et/ou Python.
Il s’agira enfin de confronter les propriétés mesurées de nos détecteurs à des simulations dédiées (Monté-Carlo sur logiciels Geant4/Gate).
Un effort particulier sera con-sacré au développement de cristaux scintillants ultra-rapides dans le contexte d’une collaboration européenne.
Supervision
Le candidat retenu travaillera sous la supervision conjointe de Dominique Yvon et Viatcheslav Sharyy DRF/ IRFU & BIOMAPS. Le groupe CaLIPSO de l'IRFU & BIOMAPS est spécialisé dans le développement et la caractérisation de détecteurs TEP innovant. Dans le cadre du projet, nous avons une étroite collaboration avec le l’IJCLabs d’Orsay, qui développe nos électroniques de lecture et d’acquisition, le CEA/DM2S qui travaille notamment sur des algorithmes d'IA de confiance, le CPPM de Marseille, qui évalue nos détecteurs dans des conditions d’acquisition d’imagerie TEP et l’UMR BIOMAPS (CEA/SHFJ), travaillant sur les algorithmes de calculs d’image.
Exigences
Des connaissances en physique de l’interaction particules-matière, de la radioactivité et des principes des détecteurs de particules sont indispensables. Un goût prononcé pour l’instrumentation et le travail de laboratoire est recommandé. Il est important d'avoir des compétences de base en programmation, par exemple C++, logiciel de simulation physique Gate/Geant4.
Compétences acquises
Bonne connaissance des technologies de pointe des détecteurs de particules et des tomographes à émission de positrons. Principes et techniques de simulation de l'interaction des particules-matière et les systèmes de détection. Analyse de données complexes.
Contact
Dominique Yvon, dominique.yvon@cea.fr
Viatcheslav Sharyy, viatcheslav.sharyy@cea.fr
CUPID-Stage I: Detector optimization and analysis in the context of a next generation 0nbb search
The CUPID experiment (CUORE Upgrade with Particle IDentification) aims to achieve unprecedented sensitivity for the detection of neutrinoless double beta decay (0nßß) using an array of 1596 lithium molybdate (Li2MoO4) crystals of ~450 kg mass. If detected this process would be a direct observation new physics in the lepton sector: in example it violates lepton number by 2 units. Dependent on the model it can provide valuable insight into the neutrino mass-scale and possbily to matter generation in the Universe through leptogenesis.
The use of lithium molybdate for this study is particularly advantageous due to their scintillation properties and the high Q-value of the decay process, which lies above most environmental gamma backgrounds. The CUPID experiment employs this material as cryogenic calorimetric detectors, where the heat signal from particle interactions of O (100 microK/MeV) are registered in a sensitive thermistor at a temperature of ~10 mK. Thanks to the high Q-value Mo-100 features a particularly high sensitivity in terms of large phase space factor and nuclear transition matrix element. This will also allow for precision studies and tests of the standard model, through analyses of the shape of another process: the so-called 2 neutrino double beta decay (2nbb), which is a standard model allowed process. However, this rare process (half-life of 7x10^17yr) is not only an interesting particle/nuclear physics target, it is also expected to contribute the most important background in CUPID: the random coincidence of two events adding up in energy to the Q-value of the 0nßß search.
CUPID aims to deploy its new detector array in two phases: An initial detector array with 1/3 of the mass will be deployed by 2030. In the mean time several tower scale measurement and optimization campaigns during the time of this thesis project will allow to analyze and optimize the detector performance of the CUPID detector modules. The further suppression of this so called pile-up background through detector optimization (acting on the sensor attachment of the light detector with a robotic assembly station developed at CEA) and advanced analysis techniques within this thesis will allow to enhance the sensitivity and science reach of CUPID. A further extension of the analysis techniques developed in this thesis to the processing of an array of O(1000) detectors will be tested with the existing TeO2 detecor array of CUORE. In the context of this process the developed analysis techniques will contribute to the final science analyses of CUORE, the leading experiment for 0nßß search with Te-130.
Thérapie médicamenteuse pour la prise en charge des syndromes hématopoïétique et gastro-intestinal radio-induits
La technologie nucléaire est largement utilisée dans l'industrie, l'armée et la médecine (diagnostic, radiothérapie ou conditionnement pour transplantation). Les circonstances dans lesquelles se produit une irradiation à haute dose peuvent entraîner un nombre considérable de blessures et de décès en absence d'intervention thérapeutique. Il peut s'agir de terrorisme, d'accidents par dysfonctionnement de réacteurs nucléaires ou d'accidents de radiothérapie avec surdosage de rayonnements ionisants (RI). Il existe également des cas médicaux d'irradiation à forte dose dans le but de conditionner le patient à la transplantation pour traiter certaines maladies (l’aplasie médullaire acquise, la leucémie aiguë myéloblastique (LAM) ou l'anémie aplastique héréditaire).
L'exposition à des niveaux élevés de rayonnement peut rapidement entraîner un syndrome d'irradiation aiguë (SIA) affectant principalement les tissus hématologiques (sang, moelle osseuse) et gastro-intestinaux dans les heures, les jours et les semaines qui suivent.
Le syndrome hématopoïétique (SH) est une composante majeure du SIA. Il se développe après une irradiation corporelle totale (TBI) à des doses > 1 Gy et se caractérise par une destruction partielle ou totale des cellules souches de la moelle osseuse et de son environnement. La prise en charge thérapeutique du SH repose sur des traitements médicaux par des facteurs de croissance pour stimuler une hématopoïèse résiduelle, mais ceux-ci peuvent s'avérer inefficaces en cas d'atteinte sévère de la moelle osseuse. La greffe de cellules souches hématopoïétiques est alors le meilleur traitement, mais elle est invasive, pas toujours réalisable faute de donneurs et son taux de réussite reste extrêmement faible en raison notamment d'effets secondaires sévères (risque de maladie du greffon contre l'hôte).
Le syndrome gastro-intestinal (SGI) quant à lui se développe après une dose > 10 Gy (corps entier ou localisée). Il se caractérise par une perte de poids, des diarrhées et une susceptibilité accrue à développer une infection bactérienne conduisant à une septicémie. Le décès survient alors dans les 5 à 12 jours post-irradiation. La prise en charge actuelle repose uniquement sur des traitements symptomatiques (antibiotiques, anti-diarrhéiques, antiémétiques).
Il est donc essentiel de développer de nouvelles méthodes thérapeutiques pour traiter les patients fortement irradiés le plus rapidement possible après l'exposition aux radiations et avec un minimum d'effets secondaires.
Dans ce projet, nous proposons de développer, par le biais de collaborations industrielles et cliniques, de nouvelles thérapies médicamenteuses par l’administration de molécules spécifiques à tester afin d'améliorer la récupération hématopoïétique et/ou intestinale après irradiation.