Rivelatori al Silicio in Fisica Medica

(1)

Rivelatori al Silicio in Fisica Medica

Sara Marcatili

Dipartimento di fisica ―E. Fermi‖, Università di Pisa INFN sezione di Pisa

Corso di formazione INFN

Bologna 17-20 Novembre 2009

(2)

 La ricerca di base spesso porta a potenti innovazioni tecnologiche

 La fisica delle alte energie (HEP) ha portato a molte scoperte tecnologiche (alcune previste, altre inattese) compresi molti mezzi diagnostici nel campo della medicina

Grazie al trasferimento tecnologico dalla HEP

abbiamo avuto innovazioni nel medical imaging in termini di:

 rivelatori

 Sistemi di read out

 Applicazioni cliniche

Rivelatori per fisica medica

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Requirements for Medical Imaging

1. Crystals

 High density (> 7 g/cm³)

 Fast emission (< 100 ns), visible spectrum

 High light yield

 Moderate radiation resistance

2. Photodetectors

 Compact

 High quantum efficiency, high gain and high stability

3. Readout electronics

 Fast shaping, low noise

 Highly integrated

4. Intelligent and parallel DAQ

 Reduce dead time

5. Software

 Accurate Monte Carlo simulation

6. General design

 Compact integration of a large number of channels ( > 10’000)

Dai rivelatori per HEP al medical imaging

Requirements for HEP EM calorimetry

1. Crystals

 High density (> 6 g/cm³)

 Fast emission (< 100 ns), visible spectrum

 Moderate to high light yield

 High radiation resistance

2. Photodetectors

 Compact

 High quantum efficiency, high gain and high stability

3. Readout electronics

 Fast shaping, low noise

 Highly integrated

4. Intelligent and parallel DAQ

 Reduce dead time

5. Software

 Accurate Monte Carlo simulation

6. General design

 Compact integration of a large number of channels ( > 10’000)

Technology transfer

Technology transfer Technology transfer

Technology transfer

(4)

Rivelatori a semiconduttore per…

Imaging con emettitori gamma

 Positron Emission Tomography

 PET con Silicon Photomultiplier (DASiPM2)

 PET con microstrips (SiliPET)

Imaging con Raggi X

 Mammografia Digitale

 microstrips detector (SYRMEP)

 Medipix chip (IMI)

 microCT

 Medipix2 chip Radioterapia

 Dosimetria in vivo in adroterapia

 in-beam monitoring (DOPET/Envision)

 Proton Transmission Radiography (PRIMA)

(5)

Positron Emission Tomography (PET)

 Introduzione alla PET

 Fisica del segnale PET

 Parametri chiave

 Rivelatori al Si per PET di nuova generazione Positron Emission Tomography: sommario

 Gamma ray imaging

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

 Imaging RX Mammografia microCT

(6)

 Oncologia

• identificazione di tumori

• identificazione di metastasi

• controllo della terapia

 Cardiologia

• flusso cardiaco con ¹³N

• metabolismo con FDG

 Neurologia

• morbo di Alzheimer

• epilessia

• Parkinson

 Studi in vivo su animali

Applicazioni

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

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Array of PMTs connected to amplifiers, positional logic circuits etc.

NaI (Tl)

scintillation crystal.

Collimator – Pb with holes in it.

Encodes spatial information

.



^ray

stopped



^{ray gets}

through

Patient

1957 H. Anger realize the first Gamma Camera

Il principio: la gamma camera

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

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Principio fisico della PET

Isotopi adatti alla PET:

• bassa energia di emissione del positrone

• vita media adeguata Generazione di un evento:



 annichilazione

Principio di rivelazione:

 coincidenza temporale dei fotoni di annichilazione

 taglio in energia per rigettare lo scattering compton

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

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Rivelatori standard

Rivelatori PET standard

 Collimazione elettronica

 Diverse soluzioni per la determinazione della posizione

• Standard block detector (Casey e Nutt 1985)

Grande varietà di scintillatori adottati

• Accoppiamento uno ad uno cristallo-rivelatore

+ codifica perfetta - pitch elevato

+ pile up trascurabile - molti canali da gestire: ELETTRONICA!

YAP-(S)PET 1993 Università di Ferrara

PSPMT di prima generazione

matrice di YAP:Ce 66 cm (511 keV)

• Rivelatori intrinsecamente sensibili alla posizione

PSPMT di seconda generazione

Siemens CTI ECAT 951

A B

C D

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(10)

Parametri chiave

Risoluzione energetica

Una buona risoluzione energetica permette l’applicazione di una finestra stretta per la selezione dei dati, e quindi una buona riduzione dello scattering

Compton.

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(11)

Risoluzione energetica

NaI(Tl) BGO LSO GSO

Zeff 50.6 74.2 65.5 58.6

Att. Len. @ 511 keV 2.88 1.05 1.16 1.43

Decay time (ns) 230 300 40 60

L.Y. (ph/keV) 38 6 29 10

Photofraction (%) 18 41.5 32.5 25

∆E/E(%) 6.6 10.2 10 8.5

 Risoluzione intrinseca dello scintillatore

 Fattori che incidono sulla statistica

 Contributo del fotorivelatore

LSO BGO

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(12)

Parametri chiave

Risoluzione spaziale

Un’alta risoluzione spaziale permette il riconoscimento di alcune strutture morfologiche ed una più accurata quantificazione delle immagini.

Compton.

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(13)

Risoluzione spaziale

Ci si riferisce alla larghezza del profilo di luce (Point Spread Function) ottenuto da una sorgente puntiforme (o lineare).

*Derenzo et al. Critical instrumentation issues for <2 mm resolution, high sensitivity brain PET

Pitch del detector (d) Errore di codifica (b)

Anger logic ~ 2.2 mm

Non collinearità (D)

1.3 mm (cuore) 2.1 mm (testa)

Range del positrone (r)

0.5 mm (¹⁸F) 4.5 mm (⁸²Rb) Algoritmo di

ricostruzione 1.2

Parallasse (p)

*

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(14)

Risoluzione spaziale necessaria

Human

Rat

2 mm FWHM (8 mm³) 6 mm FWHM

(200 mm³)

1 mm FWHM (1 mm³)

Man Rat Mouse

Body weight ~70 kg ~200 g ~20 g

Brain (cortex apex- temporal lobe)

~105 mm ~10 mm ~6 mm

Heart

~300 g ~1 g ~0.1 g

Aorthic cannula () ~ 30 mm 1.5 – 2.2 mm 0.9 - 1.3 mm

Risoluzione spaziale necessaria

Limiti fisici:

 PET umane: 1.8 - 2 mm ( 4 - 6 mm)

 PET per piccoli animali 0.7 - 0.8 mm (1.2 - 2 mm )

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(15)

Risoluzione spaziale intrinseca degli scanner commerciali per piccoli animali

17

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0 1 2 3 4 5

Crystal pitch (mm)

Resolution FWHM(mm)

Light Sharing ( b ~ 2.3 mm )

Electronic Coding ( b ~ 1.2 mm )

Individual Coupling ( b ~ 0 mm )

Crystal Resolution ( d/2 ) Tomitani

Donner 600 (Berkeley) TierPET (Julich)

MicroPET (UCLA)

YAP-(S)PET (ISE) APD-BGO

(Sherbrooke) SHR-2000

(Hamamatsu)

Exact HR (CTI)

Hammersmith

RatPET (UCLA)

MADPET (Munich)

HIDAC

microPET II

Focus

GE eXplore Clear PET

LabPET A-PET Philips

SHR-7700 (Hamamatsu)

HRRT (CTI)

BaF₂/TMAE (VUB)

(16)

Parametri chiave

Risoluzione spaziale

Un’alta risoluzione spaziale permette il riconoscimento di alcune strutture morfologiche ed una più accurata quantificazione delle immagini.

Compton.

Sensibilità

Rivelatori ad alta sensibilità permettono una maggiore statistica a parità di dose per il paziente, che si traduce in:

 maggiore SNR

Un’alta sensibilità è fondamentale in applicazioni dedicate dove lo scarso uptake di radiotracciante rende difficile la quantificazione.

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(17)

19

 Una delle maggiori richieste in PET è la sensibilità

 Nei sistemi PET sensibilità e risoluzione sono un compromesso

50 000 counts 100 000 counts 200 000 counts

500 000 counts 1 million counts 2 million counts

4.8mm 6.4mm

11.1mm 12.7 mm

7.9 mm

9.5mm

Non solo risoluzione….

L’importanza del numero di conteggi

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(18)

Sensibilità: efficienza intrinseca di rivelazione

 Scelta dello scintillatore

 alto Z_eff

 alta resa di luce

 Efficienza quantica del fotorivelatore

L’efficienza quantica di un fototubo standard va dal 10% al

30% circa, nel range di emissione dei principali scintillatolri usati in PET

NaI(Tl) BGO LSO GSO

Zeff 50.6 74.2 65.5 58.6

Att. Len. @ 511 keV 2.88 1.05 1.16 1.43

Decay time (ns) 230 300 40 60

L.Y. (ph/keV) 38 6 29 10

Photofraction (%) 18 41.5 32.5 25

∆E/E(%) 6.6 10.2 10 8.5

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(19)

Sensibilità: geometria dello scanner

Aumentare il numero di rivelatori permette una maggiore copertura dell’angolo solido e quindi una maggiore efficienza, ma i costi sono molto alti.

…tecnologicamente più semplice, ma non tutte le linee di volo vengono rivelate.

I sistemi rotanti permettono una copertura totale, ma l’efficienza è comunque minore.

Attulamente, tutti gli scanner clinici sono sistemi ad anello completo.

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(20)

Migliorare l’ SNR: TOF-PET

 Rivelatori ad alta risoluzione temporale permettono la stima della posizione

dell’evento lungo la linea di volo misurando la differenza temporale (t) tra 2 eventi acquisiti all’interno di una stessa finestra di coincidenza.

 Per misurare con accuratezza sufficiente t in un sistema per umani è necessaria una risoluzione temporale al di sotto del ns.

 Una risoluzione di 500 ps permette di limitare il punto di annichilazione ad un segmento di 7.5 cm.

 Sono stati sviluppati sistemi TOF basati su BaF₂ (decay time = 0.6 ns) ma il basso stopping power si traduce in scanner a bassa sensibilità.

 LaBr₃e LuI₃ sono buoni candidati per TOF PET di prossima generazione.

PET traditional

La probabilità di localizzare un evento lungo la LOR è uniforme

PET Time-of-Flight

La posizione più probalbile dell’evento è al centro della distribuzione

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(21)

Migliorare la risoluzione spaziale: DOI-PET

 Discreta. Phoswich detector: due o più cristalli di diverso tipo sono sovrapposti. Dall’analisi delle diverse componenti

temporali del segnale risultante, si risale al cristallo in cui è avvenuta l’interazione.

 Continua. Doppio rivelatore posto alle due estremità dello scintillatore. La quantità di luce rivelata dai due detector dipende dalla posizione di interazione nel cristallo.

Problemi:

• Scintillatori con tempi di decadimeto significativamente diversi.

• Problemi di accoppiamento ottico.

Misura della Depth Of Interaction (DOI):

diminuzione dell’errore di parallasse.

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(22)

Rivelatori per PET di nuova generazione

Rivelatori a stato solido:

Negli ultimi anni hanno raggiunto caratteristiche comparabili a quelle dei PMT tradizionali.

 sono compatti e resistenti.

 versatilità nell’assemblaggio in configurazioni geometriche diverse

 intrinsecamente compatibili con il campo magnetico Il futuro è nei sistemi ibridi!

• Esistono già molti sistemi commerciali PET/CT.

• la tecnologia a stato solido permette la realizzazione di sistemi PET-MRI

Siemens

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(23)

Fotodiodi a valanga (APD)

BGO/LSO

APD array + alta risoluzione spaziale

+ pile-up trascurabile - costosi

- basso guadagno (elettronica sofisticata) - sensibili alla temperatura

MADPET II Hamamatsu S8550

LSO 4x8 pixel

Configurazione già utilizzata con successo per la

realizzazione di un sistema PET/MRI per piccoli animali.

LSO da 19 x 19 mm(a): 12x12 cristalli da 1.5 x 1.5 x 4.5 mm accoppiati

tramite guida di luce ad un array monolitico di APD Pichler et al. Performance Test of an LSO-APD Detector in a 7-T MRI Scanner for Simultaneous PET/MRI

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(24)

SiPM…

P_t

…una matrice di fotodiodi a valanga operati in regime geiger.

 Il fotone è assorbito e genera una coppia e^-/buca

 e^-/buca diffonde verso la regione ad alto campo elettrico.

 Formazione della valanga.

 Resistenze in serie fermano il processo di valanga.

 alto guadagno (~ 10⁶)

 bassa tensione di alimentazione (~ 50V)

 basso rumore (1-2 MHz/mm² @ 1 fotone)

 buona proporzionalità per flusso di fotoni moderato

 alta PDE

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(25)

Il progetto INFN DASiPM2

Sezioni di:

Bari, Bologna, Pisa, Perugia,Trento

Progetto DASiPM (Development and Application of SiPM)

INFN-group V - 2005

Progetto SiPM

 Sviluppo di rivelatori SiPM

INFN-group V - 2006

 Produzione e caratterizzazione di SiPM ottimizzati nella regione 400-500 nm

 Produzione di matrici di SiPM

Progetto DASiPM2 (Development and Application of SiPM)

INFN-group V - 2007

Applicazione di SiPM:

 Medical Imaging: prototipo PET per piccoli animali

 Fisica spaziale: modulo TOF per AMS2

 Fisica delle alte energie: tracking calorimeter con fibre scintillanti

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(26)

Il prototipo PET per piccoli animali

S. Moehrs et al. A detector head design for small-animal PET with silicon photomultipliers (SiPM).

Uno scanner per piccoli animali, con misura della DOI e compatibile con il campo magnetico

Ogni modulo è composto da:

 Matrici di SiPM

 Slab di LSO da 4x4x0.5 mm³

 pixel da 1 mm² (pitch da 1.5 mm)

Alta granularità

 elevata risoluzione spaziale

 pile-up trascurabile

L’alto numero di canali può essere gestito facilmente con un sistema di elettronica basato su ASIC e FPGA.

Basso costo.

Tomografo a 4 teste rotanti:

 distanza tra le teste di 10-15 cm.

 campo di vista di assiale e transassiale di 4 cm.

 risoluzione spaziale simulata al di sotto del mm³al centro del campo di vista per una sorgente puntiforme di

18F.

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(27)

Accordo INFN-MEMS

Il progetto MEMS rappresenta una iniziativa dell’ INFN per rafforzare la presenza dell’ Istituto in una regione come il Trentino che investe fortemente in

ricerca e sviluppo.

2003: INFN e provincia autonoma di Trento preparano il progetto esecutivo nell’ambito di una convenzione sottoscritta nel Luglio 2001

2 programmi di ricerca:

 SAE - svilppo di sistemi di calcolo avanzato in ambito GRID

 MEMS - sviluppo di microsistemi innovativi per la realizzazione di esperimenti HEP, fisica spaziale e fisica medica.

MEMS - 4 sottoprogetti pilota di interesse INFN/ITC-irst:

con elettrodi tridimensionali

2. Sviluppo di matrici di microfotomoltiplicatorial silicio per la rivelazione di luce 3. Sviluppo di matrici di microbolometri.

4. Sviluppo di una TimeProjection Chamber(TPC) basata su silicio a bassa temperatura

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(28)

I diversi tipi di sipm

40x40μm => GF 44%

50x50 μm => GF 50%

100x100 μm => GF 76%

1mm diam 1x1mm 2x2mm 3x3mm (3600 cells) 4x4mm (6400 cells)

 Diverse geometrie, dimensioni, numero di mirocelle e aree attive

N. Dinu et al. Pixel 2008 workshop

• 8x8 matrix

• 1.5 mm element pitch

• 625 (50um x 50um) ucells

• read-out on one side

• area morta al di sotto dei 200 um

CURVE IV DI 9 MATRICI.

BREAKDOWN POINT MOLTO UNIFORME

1.3 cm

 Gamma ray imaging SiPM-PET SiliPET

(29)

SiPM: risoluzione temporale intrinseca

• λ = 800 nm

• λ = 400 nm

—contribution from noise and method (not subtracted)

 Risoluzione temporale intrinseca al di sotto dei 100 ps a livello di singolo fotoelettrone.

Misurata illuminando il SiPM con laser Ti:sa

 Larghezza impulso 60 fs

 Frequenza ~80 MHz

 Time jitter < 100fs

G. Collazuol et al. Single photon timing resolution and detection efficiency of the IRST silicon photo-multipliers

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(30)

SiPM: risoluzione temporale con scintillatore

* Post and Schiff. Phys. Rev. 80 (1950)1113

*

G. Llosa et al. NSS MIC 2008

TOF PET possibile!

Sigma=268 ps

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(31)

SiPM: risoluzione energetica

4 mm

 Singolo pixel

accoppiato ad LSO, letto in coincidenza temporale.

Risoluzione tipica: 20% FWHM

 Matrice di SiPM 4x4

accoppiata ad una slab di LSO 4x4x5 mm.

I segnali di ogni pixel sono stati sommati.

coincidenza

singola

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(32)

SiPM: determinazione della posizione

+ 0.5 mm + 1.5 mm

+ 2 mm

Matrice di SiPM 4x4 accoppiata a scintillatore a pixel di LSO (pitch = 1.mm) Hitmap per diverse posizione della sorgente rispetto alla matrice di scintillatore.

+ 1 mm

(33)

Determinazione della posizione: scintillatore nero

Posizione determinata tramite algoritmo per il centro di gravità

 = 0.3 mm

4 mm

(34)

SiPM: test in risonanza magnetica

Test di un pixel di SiPM in risonanza magnetica da 1.5 T.

SiPM accoppiato ad LSO Pickup della baseline

 Le misure sono state effettuando mentre i gradienti di campo per la codifica della

posizione erano in funzione.

 L’elettronica di preamplificazione è posta al di fuori del magnete.

 Variazione del guadagno con la temperatura.

Spettro di singolo fotone

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(35)

Elettronica di read-out

―Problemi‖ nella lettura di Silicon Photomultiplier

 Gestione di molti canali ASIC

 Alto guadagno Necessità di sviluppare un’elettronica dedicata

 MAROC2 ASIC

 Sviluppato al Laboratoire de l’Accelerateur Lineaire, Orsay.

 64 canali (usati solo 16).

 Sviluppato per MAPMT – NON OTTIMIZZATO per SiPMs, ma ci permette di effettuare test soddisfacenti.

 BASIC

 Sviluppato nell’ambito del porgetto DASiPM presso il Politecnico di Bari.

 8-64 canali

 OTTIMIZZATO per SiPMs

• 400 ps rise time

• 50 pC dynamic range

• 50 ps time jitter

• fast trigger generato da un circuito OR

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(36)

Il progetto SiliPET

Progetto SiliPET

 sviluppo di un dimostratore PET per piccoli animali basato su microstrips al silicio e ASIC per la misura del timing

Un approccio non tradizionale alle PET:

6 cm 5 cm

3 cm water

 Stack layer  DOI mesurement

 Compton interaction  accurate position

 No parallax  compact and high sensitivity

 No energy mesurement  no ADCs

• 4 piani di rivelazione composti da 40 silicon strip detectors a doppia faccia, planari, spesse 1 mm con 128 strips su ogni lato -> permettono di misurare le coordinate X,Ydell’interazione

• La terza coordinata è data dal piano della prima interazione: la preocisione è data dallo spessore del piano.

• Tutti i piani in una testa sono letti in OR esclusivo per selezionare la singola interazione.

Courtesy of G.Zavattini

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(37)

39

 Misure con una sorgente di ²²Na con un diametro di ≈ 1 mm

 Il rivelatore di MEGA è stato diviso in due stack composti da 5 e 6 strati

 I due stack sono letti in coincidenza, mentre una logica XOR è stata implementata per la lettura dei layer di uno stack

Reconstructed with a focal plane ray tracing method

Profile through the sources of the composite image.

FWHM = 0.75 mm. Source diameter = 1 mm. Same results are obtained by simulating a uniform 1 mm diameter sphere.

0.0 cm 1.0 cm

MEGA prototype tracker: 11 doublesided Si 19 X 19 cm² detector layers. Si wafer parameters: thickness = 0.5mm; strip pitch

= 470 microns.

SiliPET: proof of principle

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(38)

Rivelatori a semiconduttore per…

Imaging con emettitori gamma

 Positron Emission Tomography

 PET con Silicon Photomultiplier (DASiPM2)

 PET con microstrips (SiliPET)

Imaging con Raggi X

 Mammografia Digitale

 microstrips detector (SYRMEP)

 Medipix chip (IMI)

 microCT

 Medipix2 chip Radioterapia

 Dosimetria in vivo in adroterapia

 in-beam monitoring (DOPET/Envision)

 Proton Transmission Radiography (PRIMA)

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(39)

Adroterapia

 Introduzione

 Rivelatori al Si in adroterapia

 Proton Transmission Radiography

 in-beam PET Adroterapia: sommario

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(40)

Vantaggi fisici della teoria con Adroni

Courtesy of F. Attanasi

M Kraemer and M Scholz, 2000, Treatment planning for heavy ion therapy Phys. Med. Biol. 45 3319–30

• Increase of conformity and reduction of integral dose;

• Improve local control rate;

• Higher survival rate.

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(41)

Fonti di incertezza in Adroterapia

Incertezza sul range adronico incertezza sulla dose rilasciata

 il piano di trattamento è basato su immagini CT

 posizionamento del paziente

 Sistemi di imaging ad adroni

- più accurato calcolo della dose prima del trattamento

- posizionamento del paziente direttamente sotto il fascio di adroni - minore dose rispetto ai sistemi CT

 Sistemi in-beam per il monitoring on-line della dose

- correzione on-line del piano di trattamento se necessario

Soluzioni:

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(42)

Il progetto INFN PRIMA

Sezione di Firenze

Progetto PRIMA (Proton IMAging)

INFN-group V - 2006

Imaging del tumore mediante fascio radioterapico di protoni utilizzando un telescopio al Si basato su rivelatori microstrip al silicio

- LNS Laboratori Nazionali del Sud - Università di Firenze

- Università di Catania

Obiettiivi:

 risoluzione spaziale al di sotto del millimetro

 risoluzione in densità elettronica al di sotto dell’ 1%

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(43)

PRIMA: principio di funzionamento

La buona risoluzione spaziale ed energetica dell’intero sistema di PRoton IMAging è ottenuta:

(1) misurando la traccia di ciascun protone mediante telescopio al silicio in entrata ed uscita ed energia con calorimetro in uscita

(2) Mediante la ricostruzione del cammino più probabile di ciascun protone attraverso il tessuto (Most Likely Path MLP) con metodi di simulazione e opportuno confronto con studi sperimentali

Courtesy of M. Bruzzi

Calorimetro

tracciatori X,Y

X,Y

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(44)

I telescopi misurano la posizione del protone in entrata ed uscita su un’ area di 4cm x 4cm.

Il calorimetro (5cmx5cm) misura l’energia in uscita.

Un modulo mobile tra gli assorbitori misura lo spostamento 2-D del fascio in diverse posizioni nell’assorbitore segmentato tessuto equivalente (12 lastre PMMA di spessore 1.25cm ).

calorimetro

Al B p

⁺

P n

⁺

n-type Si

SiO₂+ Si₃N₄

Rivelatori non ottimizzati thickness ~ 300mm module length  10cm strip width w 15 m, pitch p  50-200m.

PRIMA: test beam @ Loma Linda University Medical center

0 270 z (mm)

Courtesy of M. Bruzzi

(45)

Il progetto INFN DOPET

Sezione di Pisa, Bologna

Progetto DOPET (Dosimetry PET)

INFN-group V - 2006

Dosimetria in-vivo, in-beam tramite PET in trattamenti adroterapici

- LNS Laboratori Nazionali del Sud - Università di Pisa

- Università di Catania

Obiettiivo:

 verifica on line del piano di trattamento

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(46)

I fasci adronici terapeutici producono nel tessuto biologico emettitori β⁺ a breve emivita per frammentazione del proiettile e/o del target

• La distribuzione di attività è spazialmente correlata con la distribuzione di dose

• Trovando la distribuzione di annichilazione dei β⁺è possibile estrarre informazioni sulla dose in modo non invasivo

Il principio del PET monitoring in beam

p

16O ¹⁶O ¹⁵O n

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

 Imaging RX

Mammografia microCT

16O ¹⁶O

12C ¹²C

15O

11C

n n Low Z beam

High Z beam

(47)

Dedicated ―home-made‖ PET prototype

Il primo prototipo DOPET

• PS-PMT H8500 from Hamamatsu Photonics K.K.:

− 12 stage dynode

– 8 x 8 anodes, 49 x 49 mm² active area.

• Scintillating crystals LYSO:Ce from HilgerCrystals Ltd:

– 21 x 21 pixels;

– 2 x 2 x 18 mm³ pixel dimensions.

Ultimo prototipo:

2 teste da 2x2 rivelatori Flat Panell

(48)

* Vecchio, S. et al, IEEE Conference record 2007, cdrom: m13- 61.

* F. Attanasi et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 591 (2008), 296–299

Longitudinal dose profiles

Longitudinal activity profiles

The feasibility of range monitoring

50% fall off reconstructed activity distribution is reproduced with an accuracy of about 200μm

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(49)

Il progetto FP7 ENVISION

Progetto FP7 (European NoVel Imaging Systems for ION therapy )

 Assess and demonstrate the best achievable TOF resolution, and

corresponding limits in the Region of Interest, for two alternative ibPET technologies (Crystals and Resistive Plate Chambers)

 Design a high-density, low cost integrated circuit capable of recording TOF with 50 picoseconds (ps) intrinsic resolution.

 Develop a TOF-PET image reconstruction algorithm capable of artifact removal in open-geometry detectors.

15 partner europei tra università aziende e centri di ricerca

Workpackage 2: Time Of Flight in beam PET

Workpackage 2.1:

crystal based TOF-PET with Silicon Photomultiplier

- CERN Switzerland - OncoRay Germany - Medizinische Universitat

Wien Austria

- Lyon France

- Oxford University UK - Siemens Germany - IBA Belgium

- INFN Italy - TERA Italy

- University Hospital of Heidelberg Germany - GSI Germany

- MAASTRO Netherlands - CNRS France

- CSIC Spain

- Ghent University Belgium

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(50)

Rivelatori a semiconduttore per…

Imaging con emettitori gamma

 Positron Emission Tomography

 PET con Silicon Photomultiplier (DASiPM2)

 PET con microstrips (SiliPET)

Imaging con Raggi X

 Mammografia Digitale

 microstrips detector (SYRMEP)

 Medipix1/PCC chip (IMI)

 microCT

 Medipix2 chip Radioterapia

 Dosimetria in vivo in adroterapia

 in-beam monitoring (DOPET/Envision)

 Proton Transmission Radiography (PRIMA)

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(51)

Imagin con raggi X

 Introduzione ai sistemi di imaging RX

 Mammografia

 Microstrip detectors

 Medipix chip + GaAs

 microCT

 Medipix 2 chip + Si Rivelatori a semiconduttore per…

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(52)

Formazione dell’immagine radiografica

Photon energy (keV)

with attenuation

without attenuation

Formazione dell’immagine radiografica

 Fascio prodotto da tubo a raggi X

 Collimazione fascio

 Attenuazione /trasmissione del fascio

 Formazione dell’immagine

1 2 3

2 3

1

Fascio RX uniforme

Fascio RX NON uniforme

Spettro X

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(53)

Parametri fisici essenziali

Contrasto e Rapporto Seganle Rumore (SNR)

 Capacità di distinguere strutture di diversi tessuti

 Dipendono dalle dimensioni dell’oggetto in esame!

n₂ n₁

X rays

µ1

µ² t

x

Alto C Basso C

Solo fluttuazioni statistiche

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

 Imaging RX

Mammografia microCT

C=n2-n1/n1=1-exp()-Du t

SNR=(n1-n2)/(n1+n2)^1/2

(54)

Parametri fisici essenziali

Risoluzione spaziale: Modulation Transfer Function (MTF)

 descrive la capacità del sistema di distinguere variazioni nella distribuzione spaziale dei fotoni incidenti

 è una funzione decrescente della frequenza spaziale a causa del blurring nell’immagine

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(55)

Parametri fisici essenziali

Linearità

La linearità di un rivelatore radiografico permette di mantenere alta la qualità dell’ immagine su un vasto range di energia degli X incidenti

Esempio: Il film radiografico (con schermo di rinforzo)

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(56)

Parametri fisici essenziali: il sistema ideale

 Alta risoluzione spaziale (MTF)

 permette di avere un alto contrasto

 Basso rumore

 alto rapporto segnale rumore

 Alta efficienza di rivelazione

 permette di mantenere bassa la dose al paziente

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(57)

Radiografia analogica tradizionale….

Riduce i fotoni Compton (scattering)

Converte i raggi X in fotoni nel visibile

Rivela i fotoni nel visibile

 Alta risoluzione spaziale intrinseca degrata in parte dallo schermo di rinforzo

 Necessità di sviluppo in camera oscura

 Non riutilizzabile

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(58)

…e radiografia digitale

Un’immagine digitale è una matrice di numeri in cui le righe e le colonne codificanno l’informazione spaziale, e il valore associato ad ogni elemento codifica l’intensità del segnale.

 Campionamento spaziale  pixel

 Campionamento del segnale  livelli di grigio

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(59)

Perché un sistema digitale?

 L’immagine digitale può essere archiviata e trasferita facilmente e con bassi costi

 I rivelatori possono essere riutilizzati

 Rivelatori lineari su un esteso range dinamico (alcune decadi di energia)

 Ottimizzazione del Contrasto a posteriori (dual energy techniques)

 Maggiore efficienza di rivelazione e quindi minore dose al paziente

 CAD (Computer Aided Detection) software

 risoluzione spaziale limitata dalla dimensione del pixel

Radiografia digitale = rivelatore a semiconduttore

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(60)

Radiografia digitale

 Indiretta

 CCD based detectors

 a-Si flat panel detector

 CMOS detector

 Medipix chip

 Diretta

 a-Se flat panel detector

 Si microstrips

 Ad integrazione di carica

 CCD based detectors

 a-Si flat panel detector

 a-Se flat panel detector

 CMOS detector

 A conteggio di singolo fotone

 Si pixels

 Si microstrips

Due diversi tipi di catalogazione

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(61)

Diverse modalità di imaging….

 Radiografia tradizionale

 Angiografia



Digital Subtraction Angiography (DSA)

 Coronografia

 Mammografia

 Tomografia computerizzata (CT)



microCT

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(62)

…con diverse caratteristiche

Radiography Angiography Mammography Stereotactic CT (microCT)

Detector

size (cm²)

43 x 43 30 x40 18 x 24

24 x 30 5 x 9 4 x 70

Pixel

size ( m)

125 – 165 150 – 400 50 – 100 <50 <100

Resolution

12 bits 12 bits 12 bit 16 bit 20 bit

Frame rate

Single

shot < 1 s < 60 f/s Single shot < 1 s

Single shot < 1 s

2000-6000

f/s

(63)

• Tumour masses

– Healthy tissue degeneration – X-ray Attenuation properties

similar to healthy tissue – Size > 5 mm

• Microcalcifications

– Submillimetric calcium deposits

– Denser than gland and adipose tissues – Cluster of microcalcificatons are tumour

markers

• Alto contrasto

• Alta risoluzione spaziale

Mammografia: la sfida più difficile

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(64)

•Array of light sensitive detectors covered with light-emitting x-ray phosphor

•Light generated by x- rays is converted into charge

•Charge (latent image) is stored in capacitors;

processing occurs with read-out of the TFT array

from J. A. Seibert, UC Davis Medical Center, CA, USA

Rivelatori inderetti: a-Si TFT /CsI

 Thickness 550µm

 good X-ray absorption

 Needles act as light-guides

 sharp MTF

 CsI:Tl emits green light

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(65)

• GE Senographe 2000D

• Revolution™ Flat Panel Digital Detector a-Si CsI(Tl)

• 18 x 24 cm

²

,

• pixel 100 x 100 um

²

• 12 bit resolution

• 11 years R&D and 130 M$

investment

• First digital mammographic system approved by FDA (2000)

Primo mammografo digitale

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(66)

•

Noise reduction

– Higher SNR, less dose

– Application to low rate events

•

Wide dynamic range

•

Energy discrimination for

– Compton photons

(monoenergetic sources)

•

NO “energy weighting”

– Low energy photon weight less in energy integration devices – In SPC detectors the photons

are all counted with the same

weight

 Microstripes detectors

 Pixel detectors

Sistemi a conteggio di singolo fotone (SPC)

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(67)

Il progetto INFN SYRMEP

Progetto SYRMEP (Synchroton Radiation Medical Physics)

Uso combinato della radiazione di sincrotrone, rivelatori innovativi digitali e tecniche di imaging non convenzionali per ottenere una migliore qualità dell’immagine in mammografia

 Beam line per mammografia attiva dal 1996 @ elettra, Trieste

 Sviluppo di un sistema digitale basato su:

o Edge on silicon microstrip detector

• Alta efficienza e buona risoluzione spaziale

• La superficie attiva copre il fascio

o Single Photon Counting read-out

Erik Vallazza – INFN Trieste – VCI 2007

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(68)

•

Detector in geometria edge-on

•

Lo spessore efficace corrisponde alla lunghezza delle strip

•

No scattering compton (fascio monocromatico - laminare)

•

Dimensioni del pixel = pitch della strip x spessore detectori

•

Area morta sulla superficie

Edge-on Si- strip detector

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

 Imaging RX

Mammografia

microCT The Si Detector

256 to 1024 strips Strip length 2 cm

100 or 50 um strip pitch Detector thickness: 300 um

Dead entrance window ~200 - 400 um Detection efficiency: 80% (20 keV)

Il modulo PSI-TS:

(69)

Fantoccio

contrasto/ dettaglio (17 keV)

SYRMEP: prestazioni del modulo

Film-screen 1.5 mGy dose

Mythen-II, 150 um scan step 0.9 mGy dose

Mythen-II, 50 um scan step 2.53 mGy dose

Fili di nylon in contrasto di fase

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(70)

Il progetto IMI

Progetto IMI

 Costruzione di sistemi innovativi per mammografia morfologica e funzionale

 4 aree di ricerca:

 Tubi RX monocromatici per mammografia

 Sistemi mammografici digitali basati su rivelatori a pixel ad GaAs

 Tecnologia bump-bonding surivelatori a pixel ad GaAs

 Sistemi di scintimammografia ad alta risoluzione

3 anni e 4Meuro di investimento

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET

(71)

GaAs pixel detector +

Medipix1

Chip Medipix1 (PPC) - Pixel 170 x 170 mm

²

- 64 x 64 cells

- Total area 1.7 cm

²

(1.2 active) - 15-bit counter

- 1 soglia + 3bit per reg. fine - 1.6 M transistors/chip

- Max count rate 2 MHz DETECTOR

• GaAs: 200 um thick by AMS

• Si 300 – 1000 um IRST

• pixel 170 x 170 mm

²

• 64 x 64 pixel

• 1.2 cm

²

active area

Rivelatore

SiPM-PET SiliPET

• Adroterapia

PBR

in-beam PET