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Università di Roma “Sapienza” Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica Relatore: Prof. Vincenzo Patera Correlatore:Prof.

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1 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 ”

2 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 la rivelazione in coincidenza dei fotoni di 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

3 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:

4 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

5 ARGOMENTO DELLA TESI: CRISTALLI SCINTILLANTI PER TOF PET NaI (Tl) BGOGSOCsI (Tl) LSOLYSOLaBr3 Output di luce [ph/MeV] Picco di emissione [nm] Tempo di decadimento [ns] Indice di rifrazione Densità [g/cm ^3 ] 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

6 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

7 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

8 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 Δt acq =10 min SET-UP Scintillatore NaI+PM HVHV DISCRSCALER Plateau intorno a 900V (tensione scelta come alimentazione) Moduli NIM

9 Dual Timer Mod. N417 Caen Logic Unit Mod. 81 A Caen NIM-ECL-NIM Translator Mod. N92 Caen Delay TDC V488A Caen Dual Timer Mod. 2255B 1° sezione IN OUT 2° sezione IN OUT OUT Reset I/O Register Mod. V513 Caen 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

10 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 x dove y rappresenta il valore dei conteggi del TDC, x i ritardi in ns, p 0 il termine noto e p 1 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

11 CALIBRAZIONE WFD V1721 IMPULSATORE ATTENUATORE WFD V1721 Caen Oscilloscopio SET-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

12 SET-UP SPERIMENTALE:SISTEMA DI ACQUISIZIONE Sistema di Acquisizione Particolare DISCRIMINATORE LOGI UNITALIMENTAZIONE NaI TDC V488A I/O REGISTER WFD V1721 CRATE NIM CRATE VME

13 SCHEMA ACQUISIZIONE NaI 1 NaI 2 4CH Programma ble HV Power Supply N470 SPLITTERSPLITTER 16 CH Discriminator LTD N845 OUT 0 1 Quad Gate/Delay Generator Mod. 794 NIM-ECL- NIM Translator N92 Logic Unit Mod. 81A IN OUT Dual timer Mod. 2255B 1° sezione 2° sezione OUT Reset Common Stop +150 ns I/O Register V 513 CH 0 STB Waveform Digitizer V1721 Trg in Ch1 Ch2 Ritardati NaI 2 NaI 1 TDC V488A 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

14 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)

15 RISOLUZIONE TEMPORALE NaI(Tl) GEOMETRIA NaI “trigger” Na-22 NaI “triggerato” Tensione alimentazione NaI: 900 V Soglia di discriminazione NaI triggerante: -170 mV Soglia di discriminazione NaI triggerato: -20 mV

16 RISOLUZIONE TEMPORALE NaI(Tl) 3.51 ns   t  4.96 ns e quindi una  NaI  4.96 ns/√2  3.51 ns NaI statisticamente indipendenti e uguali TDC Counts σ=4.965±0.046

17 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

18 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 MeV (Na-22) σ/μ~5% Picco da 1.27 MeV (Na-22)

19 CALIBRAZIONE ENERGETICA DEI NaI: Fit lineare delle posizioni dei vari picchi delle sorgenti Il picco del Na-22 da 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

20 TEST SUL SISTEMA DI CONTROLLO CON PROTOTIPO DI CRISTALLO DI LYSO GEOMETRIA Tensioni di alimentazione: NaI 900V (trigger) LYSO 2400V (triggerato) Soglia di discriminazione: NaI –170 mV NaI (trigger) LYSO Na-22

21 RISOLUZIONE TEMPORALE LYSO 0.54 ns  LYSO=  0.54 ns 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). σ=3.551±0.037 TDC Counts

22 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

23 Fit del picco a MeV del Na-22 tramite ROOT Picco da MeV del Na-22 con LYSO triggerato a 2200V (sinistra) e a 2450V (destra) Picco da MeV (Na-22) σ/μ~13% Picco da MeV (Na-22) σ/μ~13%

24 Posizione del picco da MeV vs HV Andamento esponenziale della carica in funzione della tensione Fit effettuato con la funzione : PDF(V) = offset + exp_norm * e^(V*τ)

25 Risultati Per concludere lo studio relativo alla valutazione della risoluzione in energia del LYSO, sono stati confrontati i rapporti  /  del picco a 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.

26 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


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