Università di Roma “Sapienza” Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica

Relatore: Prof. Vincenzo Patera

Correlatore:Prof. Adalberto Sciubba Laureando: Fabrizio Stinchelli

“ SVILUPPO DI UN SISTEMA DI CONTROLLO DI

QUALITA’ PER CRISTALLI SCINTILLANTI

PER TOF-PET ”

TOMOGRAFIA AD EMISSIONE DI POSITRONI

La PET è una tecnica che richiede l’impiego di radioisotopi che

decadono emettendo un positrone. La molecola attualmente più

utilizzata è l’ FDG (2-deossi-2-fluoro-D-glucosio), una molecola di glucosio usata come tracciante per indagini funzionali soprattutto

in campo oncologico

Il principio fisico su cui si basa la PET è Il principio fisico su cui si basa la PET è la rivelazione in coincidenza dei fotoni di la rivelazione in coincidenza dei fotoni di annichilazione del positrone.annichilazione del positrone.

La PET è una diagnostica non invasiva di imaging funzionale basata sull’impiego di particolari traccianti radioattivi da somministrare al paziente in esame. E’ utilizzata in: Oncologia

Neurologia Cardiologia

Time-Of-Flight PET

L’informazione Time-Of-Flight è usata nella convenzionale PET per determinare se i due fotoni γ sono in “coincidenza temporale” e quindi appartengono allo stesso evento di annichilazione del positrone.

Se il la differenza di tempo di rivelazione tra i due fotoni è più piccolo di una finestra di coincidenza (tradizionalmente 5-10 ns) i due eventi sono considerati fisicamente correlati allo stesso evento di annichilazione

- Migliore localizzazione del punto di annichilazione del β+ (tramite l’uso dei differenti tempi di volo dei γ).- La ricostruzione TOF dell’immagine è più veloce (- numero di iterazioni e - rumore nell’ immagine)- Riduzione degli eventi casuali (migliore risoluzione temporale)

Vantaggi della TOF PET:

SCINTILLATORI E FOTOMOLTIPLICATORI

Quando una radiazione attraversa lo scintillatore, questa eccita le molecole del materiale scintillante causando un’emissione di luce. Questa luce è trasmessa al fotomoltiplicatore dove è convertita in una corrente di foto-elettroni che è poi amplificata da un sistema di moltiplicazione degli elettroni.

20 ns/div

40 ns/div

Contatore plastico a 1400V

LYSO a 1100V

ARGOMENTO DELLA TESI: CRISTALLI SCINTILLANTI PER TOF PET

NaI

(Tl)

BGO GSO CsI

(Tl)

LSO LYSO LaBr3

Output di luce [ph/MeV]

41000 9000 8000 66000 31000 32000 65000

Picco di emissione [nm]

410 480 440 565 420 420 360

Tempo di decadimento [ns]

230 300 600 1000 40-47 41 15

Indice di rifrazione

1.85 2.15 1.85 1.80 1.82 1.81 1.9

Densità [g/cm^3] 3.76 7.13 6.71 4.51 7.4 7.1 5.21

NECESSITA’ DI UN SISTEMA DI CONTROLLO DI QUALITA’ DI CRISTALLI SCINTILLANTI PER TOF PET IN MODO DA VALUTARE QUELLI PIU’ PERFORMANTI E ADATTI ALL’APPLICAZIONE CLINICA

LAVORO DI TESI

MESSA IN OPERA DEL SISTEMA DI CONTROLLO DI QUALITA’

- Set-up sperimentale:• Caratterizzazione e studio dell’efficienza vs tensione dello NaI(Tl)

• Calibrazione dei misuratori di tempi (TDC V488A) e di carica (WFD V1721)

• Schema di Acquisizione

APPLICAZIONI DEL SISTEMA DI CONTROLLO DI QUALITA’

- Caratterizzazione del sistema di controllo con un secondo NaI(Tl)

- Test sul sistema di controllo con un prototipo di cristallo di LYSO in dotazione al Laboratorio “SBAM”

Le misure sono state effettuate presso il Laboratorio “SBAM” (“Scienze di Base Applicate alla Medicina”) del Dipartimento di Scienze di Base ed Applicate per l’Ingegneria

Sistema di controllo di qualità: Scintillatore NaI operante da trigger, sorgente di calibrazione, fotomoltiplicatore H6524 dell’Hamamatsu accoppiato al cristallo da testare

Scopo Tesi: Realizzare un sistema di controllo di qualità per cristalli scintillanti per TOF PET

CARATTERIZZAZIONE E STUDIO EFFICIENZA VS

TENSIONE DEI NaI(Tl) Buona resa di luce per energia rilasciata dalla radiazione incidente(~41000 ph/MeV) ma lungo tempo di decadimento (~ 230 ns => minore risoluzione temporale)

I contatori a scintillazione NaI utilizzati sono prodotti dalla Scionix; i cristalli scintillanti inseriti sono rivestiti di un corpo metallico di 0.5 mm di alluminio e sono situati nell’estremità del contatore a scintillazione (parte grigia in alto), mentre la parte centrale del contatore è occupata dal tubo fotomoltiplicatore (parte rossa).

200 ns/div

Cristalli NaI

PM

Partitore resistivo

Per effettuare lo studio di efficienza vs alta tensione dei due scintillatori NaI si sono utilizzati un modulo VME scaler V560 della Caen, un discriminatore Caen N845 con soglia a –170mV e si sono valutati i conteggi in singola degli scintillatori in Δtacq=10 min

SET-UP Scintillatore NaI+PM

HV

DISCR SCALER

Calibrazione scintillatori NaI

0

100

200

300

400

500

500 600 700 800 900 1000 1100 1200

V

rate

= c

onte

ggi /

tem

po

acq NaI 1

NaI 2

Plateau intorno a 900V (tensione scelta come alimentazione)

Moduli NIM

Dual Timer

Mod. N417 Caen

Logic Unit

Mod. 81 A

Caen

NIM-ECL-NIMTranslator

Mod. N92

Caen

Delay

TDC

V488A

Caen

Dual Timer Mod. 2255B

1° sezioneIN OUT

2° sezione

IN OUT

OUT Reset

I/O RegisterMod. V513Caen

Strobe

Canale 0

CALIBRAZIONE TDC V488A

SET-UP

Il TDC (Time to Digital Converter) digitalizza le misure dei tempi dei rivelatori (risoluzione temporale)

Modulo VME

In arancio i moduli VME

Riportando tutto in un grafico dove si hanno i conteggi TDC in funzione dei ritardi [ns], ottenuti tramite cavi, si ottengono le rette di calibrazione per il due canali

Tramite il programma di elaborazione dati ROOT è stata effettuata un’interpolazione lineare dei dati: y = p0 + p1 xdove y rappresenta il valore dei conteggi del TDC, x i ritardi in ns, p0 il termine noto e p1 il

coefficiente angolare della retta; l’inverso del quale è la sensibilità del TDC, anche detta risoluzione del TDC e stimata in circa 180 ps/conteggio

CALIBRAZIONE WFD V1721

IMPULSATORE ATTENUATORE

WFDV1721Caen

OscilloscopioSET-UP

Inietta quantità di carica note

Lo WFD (Waveform Digitizer) è un modulo VME convertitore analogico/digitale di forma d’onda a 8 canali da 8 bit e 500 MS/s (Msamples/s); sarà usato come misuratore di carica (risoluzione energetica)

Esempio di carica iniettata nello WFD

WFD counts

SET-UP SPERIMENTALE:SISTEMA DI ACQUISIZIONE

Sistema di Acquisizione

Particolare

DISCRIMINATORE

LOGI UNIT ALIMENTAZIONE NaI

TDC V488AI/O REGISTER

WFD V1721

CRATE NIM

CRATE VME

SCHEMA ACQUISIZIONE

NaI 1

NaI 2

4CH Programmable HV Power SupplyN470

SPLITTER

16 CH Discriminator LTD N845 OUT 0 0 1 1

Quad Gate/Delay Generator Mod. 794

NIM-ECL-NIMTranslatorN92

Logic Unit Mod. 81AIN OUT

Dual timer Mod. 2255B

1° sezione

2° sezione

OUT Reset

Common Stop +150 ns

I/O RegisterV 513

CH 0

STB

WaveformDigitizer V1721

Trg in

Ch1Ch2

Ritardati

Ritardati

NaI 2

NaI 1

TDCV488A

COM

Software: DAQ è un custom scritto in C e C++, tutto il software di raccolta ed analisi dati è stato sviluppato in sede di tesi

APPLICAZIONI DEL SISTEMA DI CONTROLLO DI QUALITA’

1. Caratterizzazione del sistema di controllo di qualità usando un secondo NaI(Tl)

- Risoluzione temporale NaI

- Calibrazione in energia dei NaI(Tl)

2. Test sul sistema di controllo qualità con prototipo di cristallo di LYSO

- Risoluzione temporale LYSO

- Risoluzione energetica LYSO

Sorgenti di calibrazione usate:

Na-22 (A=9 kBq)

Co-60 (A=62 kBq)

RISOLUZIONE TEMPORALE NaI(Tl)GEOMETRIA

NaI “trigger”

Na-22NaI “triggerato”

Tensione alimentazione NaI:

900 V

Soglia di discriminazione NaI triggerante:

-170 mV

Soglia di discriminazione NaI triggerato:

-20 mV

RISOLUZIONE TEMPORALE NaI(Tl)

t 4.96 ns e quindi una NaI 4.96 ns/√2 3.51 ns3.51 ns

22

21 NaINaIt

2t

NaI

NaI statisticamente indipendenti e uguali

TDC Counts

σ=4.965±0.046

CALIBRAZIONE ENERGETICA DEI NaI(Tl)

Per caratterizzare il sistema di controllo di qualità è stato svolto uno studio in funzione della tensione di alimentazione dei fotomoltiplicatori allo scopo di

verificare la sostanziale linearità del sistema a prescindere dal guadagno dei rivelatori utilizzati.

Aspettativa: l’andamento della posizione dei picchi del Co-60 (1.17 MeV e 1.33 MeV) e del Na-22 (0.511 MeV e 1,275 MeV) in funzione della tensione di alimentazione dei NaI, sia lineare

La posizione dei picchi è ottenuta dagli spettri di carica ottenuti dallo Waveform Digitizer V1721.

Range di tensione utilizzato per calibrazione in energia

Guadagno

HV

Fit dei picchi tramite ROOT

Picchi del Co-60 con NaI triggerato a 800V Picchi del Na-22 con NaI triggerato a 900V

Picco da 1.17 MeV (Co-60)

Picco da 1.33 MeV (Co-60)

Picco da 0.511 MeV (Na-22)

σ/μ~5%

Picco da 1.27 MeV (Na-22)

CALIBRAZIONE ENERGETICA DEI NaI: Fit lineare delle posizioni dei vari picchi delle sorgenti

Il picco del Na-22 da 1.275 MeV si inserisce tra i due picchi del Co-60 (1.17 e 1.33 MeV)

Il punto di lavoro per i NaI è 900V

Peak position

HV

TEST SUL SISTEMA DI CONTROLLO CON PROTOTIPO DI CRISTALLO DI LYSO

GEOMETRIATensioni di alimentazione:

NaI 900V (trigger)

LYSO 2400V (triggerato)

Soglia di discriminazione:

NaI –170 mV NaI (trigger)

LYSO

Na-22

RISOLUZIONE TEMPORALE LYSO

LYSO= 0.54 ns0.54 ns 22 51.355.3 il LYSO è più veloce nella risposta del NaI (il tempo di decadimento del segnale del LYSO è nettamente più basso rispetto al NaI ( 40 ns vs 230 ns).

22NaItLYSO

σ=3.551±0.037

TDC Counts

RISOLUZIONE ENERGETICA LYSO

GEOMETRIA

NaI (trigger)

Na-22

LYSO

Tensioni di alimentazione:

NaI 900V (trigger)

LYSO da 2200V a 2450V

Soglia di discriminazione:

NaI –170 mV

Fit del picco a 0.511 MeV del Na-22 tramite ROOT

Picco da 0.511 MeV del Na-22 con LYSO triggerato a 2200V (sinistra) e a 2450V (destra)

Picco da 0.511 MeV (Na-22)

σ/μ~13%

Picco da 0.511 MeV (Na-22)

σ/μ~13%

Posizione del picco da 0.511 MeV vs HV

Andamento esponenziale della carica in funzione della tensione

Fit effettuato con la funzione : PDF(V) = offset + exp_norm * e^(V*τ)

RisultatiPer concludere lo studio relativo alla valutazione della risoluzione in energia del LYSO, sono stati confrontati i rapporti / del picco a 0.511 MeV del Na-22 sia rilevato con il NaI (triggerato) sia con il LYSO (triggerato).

Risoluzioni energetiche: Risoluzioni Temporali:

/ (NaI) ~ 5% (NaI) ~ 3.51 ns

/ (LYSO) ~ 13% (LYSO) ~ 0.54 ns

IL SISTEMA DI CONTROLLO DI QUALITA’ E’ STATO IN GRADO DI RILEVARE UNA DIFFERENZA NELLA

RISOLUZIONE ENERGETICA PER IL PROTOTIPO DI CRISTALLO DI LYSO RISPETTO AI DATI IN LETTERATURA (/ (LYSO) ~ 8%); INOLTRE HA ANCHE CONFERMATO LE RISOLUZIONI TEMPORALI DEI DUE CRISTALLI TESTATI

RISPETTO AI VALORI RIPORTATI IN LETTERATURA.

CONCLUSIONI

Per quanto riguarda gli sviluppi futuri, si dovranno testare dei cristalli che effettivamente sono utilizzati per TOF PET, in modo da valutarne le prestazioni sia temporali che energetiche e poterne consigliare l’uso nella pratica clinica

1. Messa in opera di un sistema di controllo di qualità per cristalli scintillanti per TOF PET:

- Scrittura ed elaborazione di tutta la parte software per l’acquisizione e analisi dati

- Assemblaggio dei moduli NIM e VME necessari per le acquisizioni

- Calibrazione dei moduli VME misuratori di tempi (TDC) e di carica (WFD).

2. Caratterizzazione del sistema di controllo di qualità con un secondo NaI(Tl)

3. Verifica del funzionamento del sistema di controllo di qualità attraverso un prototipo di cristallo di LYSO