Preverjanje poloaja radioaktivnih izvirov med obsevanjem tumorjev v brahiterapiji

KazaloKaj je brahiterapijaNart naprave in nai ciljiSimulacija napraveDAQ TestiranjaPogled naprej

ZgodovinaV. Cindro zavrnjen projekt 2003M. Bati mladi raziskovalec 2004Sprejet projekt razreda A (3 leta, 12MSIT/leto,1565 ur C razreda) 2007Nosilec IJSOnkolokim institutSofinancer iz gospodarstva Elgoline d.o.o. (+25% sredstev)

MotivacijaAplikativni projekti v prednostnih kategorijah NRRPUproraba znanj o pozicijsko obutljivih detektorjih v medicini!

Monost razvoja komercialnega produkta iz prototipne naprave - aplikacijeKratek as za R&D enostavna naprava, dostopnost komponent

Potreba po nadzoru poloaja izvora v brahiterapiji z monostjo nartovanja on-line obsevalnih nartov v prihodnosti

Brahiterapija IBrahiterapija je oblika radioterapije, kjer se radioaktivni izvor vstavi v tumor. V glavnem se uporablja za zdravljenje raka npr. na prostati, za raka na glavi ali v vratu. V uporabi od leta 1920...Povrinska ( b 90Sr ) Telesne odprtine - notranja Krvoilni sistem notranja Katetrna notranja ( g 192Ir, 125J ) High Dose RateLow Dose Rate(3x1010 Bq)

Brahiterapija IIV izbrani tumor se vstavijo cevke glede na poloaj, velikost tarnega volumna tumorja

Izrauna se obsevalni nart doloitev poloaja izvora (tok) med obsevanjemas nahajanja izvora na posamezni toki med obsevanjem (po pacientu nalepijo dozimetre, da ugotovijo kodo)

Brahiterapija III(prednosti pred zunajimi obsevanji in trajno BT) kratko trajanje terapije - vse skupaj ~1 teden ohranjanje strukture organov in njihove funkcije malo stranskih uinkovdobra pokritost rake razlinih oblik vse do najmanjihv naprej znana porazdelitev doze in mona ocena kode velika tonost doze, ki je lahko za razline tumorje razlinaMona homogenost porazdelitve dozePremikanje pacienta ni tak problemmono vekratno zdravljenje ponovitev rakani premikanja semen po ostalih organihni izpostavljanja sevanju ostalih blinjih ljudi

Cilj napraveCilj: imbolj natanno, enostavno in ceneje slednje izvoru med terapijo! Ni QA.

doloiti relativne poloaje cevk in ugotoviti velike premikeugotoviti, da se izvori gibljejo po pravi cevkiugotoviti, ali je kaken izvor po pomoti ostal v pacientu

Osnovne lastnosti naprave, ki so pogojene z zgornjimi lastnostmi:Ciljno podroje sledenja: 20x20x20 cm3, na razdalji 30 cmDoloiti prostorsko toko vsaj vsako sekundo (dwell time je priblino nekaj sekund na razdalji nekaj mm)Resolucija okoli 1 mm

Obstojajo razlini poskusi: GPS na podlagi diamantnih detektorjevpodobno kot mi samo s scintilatorskimi fiberi

Osnovni gradnikiDETEKTOR 2x silicijev strip detektor ( ATLAS design , 80 mm pitch bondirano 6x skupaj, 480 mm pitch)2x bralni ip VA-TA GP3_V1OHIJEvelika povrina detektorjev omogoa ve zaslonk stereo gledanjePb zaslonketrenutno se nagibamo k 5 zaslonkamNastavljiva razdalja med zaslonko in detektorjiVse skupaj postavjeno na prenosno mizoDAQ:Komunikacija preko paralelnega vmesnikaGUI Software FLTK (open GL)

Simulacijatudiij izvedljivosti Optimizacija naprave doloitev parameterov razdalja detektorjev od zaslonk (viden prostorski kot, resolucija)oblika, tevilo in poloaj zaslonk (uinkovitost, hitrost, resolucija)debelina itaDoloanje optimalnih algoritmov za rekonstrukcijo

Simulacija (I)Osnovni gradniki so zaslonka in za njo postavavljeni detektorji!izvir

Simulacija (II)Rel probE [MeV]Omejiti se velja le na tiste fotone, ki lahko zadenejo detektrorEnakomerna generacija po enakomerno dolgem sevalcu 4 mm.Simulacija: ROOT (GEOM paket), fizikalni procesi Compton, fotoefekt (eksponent) simulirani na rokevsakemu izsevanemu fotonu se sledi skozi sistem in se polni drevesa (ntuple)

Polnimo verjetnosti za interakcijo v Si detektorju, e ga zadene fotonAnaliza poteka na drevesa; drift naboja v Si ne upotevamo (ni potrebe), vsaka int. teje kot zadetektri->Branch("pos",&event.pos,"pos[3]/F"); //position of the sourcetri->Branch("r0",&event.r0,"r0[3]/F"); //emitted photon birthtri->Branch("r1",&event.r1,"r1[3]/F"); //detector plane x hittri->Branch("r2",&event.r2,"r2[3]/F"); //detector plane y hittri->Branch("or",&event.or,"or/F"); //orientation of sensorstri->Branch("ncs",&event.ncs,"ncs/I"); //number of Compton scatteringstri->Branch("nmt",&event.nmt,"nmt/I"); //number of material traversedtri->Branch("Emi",&event.Emi,"Emi/F"); //emitted photons before hitstri->Branch("ncsSi",&event.ncsSi,"ncsSi[2]/I"); //number of steps in silicontri->Branch("Ep",&event.Ep,"Ep[2]/F"); //Energy of the photon at Sitri->Branch("DEp",&event.DEp,"DEp[2]/F"); //Energy deposited in Sitri->Branch("prob",&event.prob,"prob[2]/F"); //Interaction probability

Simulacija (III)P5P3P1P4P2P5P3P1P4P2X smerY smerVse P1...P4 poveemo z ustreznimi zaslonkami, potegnemo premice in poiemo izvor!Razvoj robustnega algoritma za doloanje vrhov in njihovo povezavo s pin-holi tudi v neidealnih primerih11281128porazdelitev zadetkov po detektorjihdebelina zaslonke 1.2 cm Rz=2 mm, Rn=1 mm

P1=19.355469P2=42.175781P3=65.988281P4=88.808594P5=111.628906y=19.355469y=42.175781y=65.988281y=88.808594y=111.628906100,100y=17.371094y=43.167969y=65.988281y=88.808594y=112.621094200,200Algoritem temelji naM.Morhac et al., Nuclear Instruments and Methods in Research Physics A 443(2000), 108-125. ... tudi e dodamo precej uma uspe poiskati vrhove. Simulacija (IV)

Dve metodi sta implementirani v simulaciji:Iskanje toke, ki ima min. razdaljo (d/s)2 do vseh premic (minuit)Kombinacije parov razlinih premic in povpreenje tok, kjer je razdalja med dvema min.

Primer doloitve tarnega volumna (rumeno) in izvora (zeleno)Simulacija (V)

Doloitev pri izmaknjenem poloaju izvora.Simulacija (VI)

Z=25 cmSlika v , relativno majhna statistika je bila uporabljena + algoritem z napakami (neizloanje netono doloenih vrhov)

Zajemanje ve slik pri istem poloaju bo zmanjalo napako+izboljani algoritmi. Ob veliki gostoti tok bomo delali Kalmanov filter.Primer: (simulated-true) poloaja izvora v x,y in z smeri [cm]

DAQ (I)DetektorATLAS, 768 ch. 80 mm pitch6.2x6.2 cm2Pitch a.128 kanalov480-100 mmVATARAM + LOGIKA + PC komunikacija +HV napajalnik za detektorPCKaj vse imamo:Vse komponente za PCBje (tudi za kontrolni board)Detektorje (4x, 300 mm (0.1% eff.)VA-TA ipeIM boardeKaj e nimamo:Pitch adapeterjevHV napajalnika (baje mala malca)Narejenega konnega narta za kontrolni boardKapaciteta detektorja okoli 2-3 pF, commond mode, um do celo nekaj deset keV Kako bo s hlajenjem najbr konvekcijsko z majhnim ventilatorjem!Prototip na protoboardu128 kanalov6x80 mmnastavitve biasLogini signali

DAQ (II)VATA GP3Trigger (150ns shapping)Signal (2 ms shapping for ADC)128 kanalovum ocenjen na 10 keVVe nainov delovanja: Ob triggerju polje komplet multipleksan signal (lahko deluje z ve ipi Nx128 kanalov)Ob triggerju polje samo zadete kanale + njigove adrese (deluje pa le z enim ipom)Ob triggerju polje samo zadete kanale + sosede + adrese

Omogoa maskiranje kanalov, doloanje tresholda z internim DAC, testne pulzeesa se bojimo: velike razlike nielnih nivojev in common mode

DAQ (III)Potek zajemanja podatkov:V RAMu imamo tevec, ki vrednost za zadeti kanal ob vsakem dogodku povea za 1 (hitmap)Hkrati dobimo analogni signal, ki preko ADC shranimo v RAM. Ta je dovolj globok, da shrani vse dogodke dokler ni kateri od kanalov dosegel 255 zadetkov, to sproi readout na PCReset vsega rama in nov tart Hitrost, ki jo lahko doseemo je po grobi oceni nekaj Hz (> hitrost pomika manipulatorja)Adresa je 16 bitna v RAM (0-7 bit ch.,8-15 bit count)Spravimo ADC informacijo 8 bitno!!ADC COUNTI

DAQ - SoftwareVsa komunikacija bo potekala preko LPT porta:Erik ima veliko izkusenj pri izdelavi (gre za low-level programiranje)Imamo izkunje s programiranjem ATLAS-CableTesterja (gre za podobno branje)

V prvi verziji bo:Monost nastavitveSledenje tokam, Prikaz merjenih tok, 3D vizualizacijaNe bo:Algoritmov za ugotavljanje poloaja cevk (track fit, pametni algoritmi za dihanje in premikanje)Primer online vizualizacija merjenih tok v 3D (open GL)

Testiranjarotacija+translacijaPC connectionIzdelava fantoma,Kocka voda s katetri bo narejena na OI,

Izdelava primerne mize, ki bo omogoala nastavljanje razlinih poloajevKaj pa testiranja radiacijskih pokodb:Radiacijske pokodbe elektronike ne bi smele biti problem, saj bo elektronika itena s Pb v katliRadiacijske pokodbe detektorjev tudi ne:energija pod tresholdom za clustre ele po ~1000 kGy (mnogo ve kot je ivljenska doba naprave) pride do inverzije, ki celo izbolja detectornarastel bo tok, kar pomeni nekaj ve uma trapping ne bo problem

Prihodnost?Sprotno popravljanje obsevalnega narta:optina kameraultrazvona kameraodpornost na obsevanje? upravljanje?CT slikanje sprotno ...

Morda uspeno prodajanje naprav ...

tumorkatetri