Conception et mise en oeuvre de systèmes de détection optique de haute sensibilité pour les microanalyses biochimiques et pour la radiothérapie
Institution:
Lyon 1Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The objective of this research project is to develop high sensitivity optical detection systems for biochemical microanalysis and for radiotherapy. In particular, photodetection systems using CMOS Buried Double pn Junction (BDJ) photodetector have been investigated. A detailed noise analysis of the photodetection chain has been performed with noise modeling of the charge preamplification. This approach, validated by temporal noise simulations has led to analytical expressions for the different noise contributions referred at the amplifier output. Furthermore, various signal processing techniques have been developed for weak signal recovery especially in case of low signal to noise ratios. Among them, variable time synchronous detection enables the detection of photocurrent levels ~30 dB below detector dark current. Such a BDJ detector based system has been designed and tested for absorptiometry measurements, fluorescence detection and chemiluminescence. The proposed detector systems have achieved sensitivity performance comparable with those commercialized instruments with much smaller sample volumes (~nL). Finally, our experience in weak luminescence signal detection has been used to develop a novel in vivo dosimetry system for external beam radiotherapy, based on the radioluminescence of direct band gap semiconductors. Preliminary results from testing with routinely used clinical equipments have validated this approach
Abstract FR:
Cette thèse a pour objectif de développer des systèmes de détection optique de haute sensibilité pour les microanalyses biochimiques et pour la radiothérapie. En particulier, l’utilisation d’un photodétecteur CMOS à double jonction enterrée (BDJ) pour ces applications a été étudiée. Une analyse de bruit détaillée de la chaîne de photodétection a été réalisée notamment grâce à une nouvelle modélisation du bruit de la préamplification de charge. Cette modélisation, validée avec des simulations temporelles de bruit, permet d’établir une expression analytique des différentes contributions de bruit en sortie d’amplificateur. Par ailleurs, différentes techniques de traitement du signal ont été développées pour détecter de très faibles signaux noyés dans du bruit. Ainsi, la détection synchrone à temps variable permet de détecter des niveaux de photocourants ~30 dB en dessous du courant d’obscurité du détecteur. Un système basé sur le détecteur BDJ a été conçu et testé pour les mesures d’absorptiométrie, de fluorométrie et de chimiluminescence. Les performances de ce système en termes de sensibilité sont comparables à celles obtenues sur des instruments commercialisés, avec des volumes d’échantillons analysés significativement plus faibles (~nL). Enfin, l’expérience acquise dans la détection de très faibles signaux de luminescence a permis de développer un système de dosimétrie in vivo pour la radiothérapie externe, basé sur la radioluminescence de matériaux semiconducteurs à gap direct. Des résultats préliminaires acquis sur une installation utilisée en routine clinique valident l’approche proposée