SYRMA-CT SYnchrotron Radiation Mammography – Computed Tomography proposta nuovo esperimento triennio Resp. naz. Renata Longo Dipartimento di Fisica e INFN, Universita’ di Trieste

Obiettivo Generale Mantenere la leadership italiana nella mammografia con luce di sincrotrone in contrasto di fase estendendo il programma clinico della linea SYRMEP alla tomografia della mammella.  Prima mammografia in vitro con luce di LNF 1995  Sviluppo dell’imaging mammografico in contrasto di ELETTRA: prima dimostrazione in vitro (1998) prima dimostrazione in vitro (1998) primo studio clinico (2011) primo studio clinico (2011)

Stato dell’arte mammografia  Verso mammografie in 3D Tomosintesi (in commercio, solo poche ditte) Tomosintesi (in commercio, solo poche ditte) Supera il problema delle sovrapposizione delle strutture anatomicheSupera il problema delle sovrapposizione delle strutture anatomiche Mammella compressaMammella compressa Anatomia deformata Anatomia deformata Ricostruzioni parallele al compressoreRicostruzioni parallele al compressore Algoritmi di riscostruzione non ottimali per le calcificazioni Algoritmi di riscostruzione non ottimali per le calcificazioni Breast CT (prototipi in trial clinico in US) Breast CT (prototipi in trial clinico in US) Nessuna compressioneNessuna compressione Ricostruzione 3D della struttura ghiandolareRicostruzione 3D della struttura ghiandolare Senza distorsioni Senza distorsioni

Differenti approcci al contrasto di fase  Free space propagation Buona coerenza spaziale Buona coerenza spaziale Non richiede ottiche tra oggetto e detector Non richiede ottiche tra oggetto e detector  Analyzer based imaging Radiazione monocromatica Radiazione monocromatica Cristallo analizzatore tra oggetto e detector Cristallo analizzatore tra oggetto e detector  Sistemi basati su gratings inteferometrici e non (coded apertures) inteferometrici e non (coded apertures) Allineamenti tra gratings dell’ordine del micron Allineamenti tra gratings dell’ordine del micron Stato dell’arte imaging in contrasto di fase

Absorption imaging and free space propagation imaging Free propagation Absorption object Incoming Transmitted Intensity Position  object Intensity Position Incoming Transmitted 10<  <100  rad ICATPP Renata Longo

Differenti approcci al contrasto di fase  Free space propagation Buona coerenza spaziale Buona coerenza spaziale Non richiede ottiche tra oggetto e detector Non richiede ottiche tra oggetto e detector  Analyzer based imaging Radiazione monocromatica Radiazione monocromatica Cristallo analizzatore tra oggetto e detector Cristallo analizzatore tra oggetto e detector  Sistemi basati su gratings inteferometrici e non (coded apertures) inteferometrici e non (coded apertures) Allineamenti tra gratings dell’ordine del micron Allineamenti tra gratings dell’ordine del micron Stato dell’arte imaging in contrasto di fase

Why phase techniques in mammography ?  Refractive index: absorption coefficient: absorption coefficient:  absorption index  absorption index refractive index decrement: refractive index decrement:  phase shift index  phase shift index Absorption contrast decreases faster that phase contrast when energy increases Absorption contrast decreases faster that phase contrast when energy increases Phase effects > absorption biological tissues, X ray energy keV ICATPP Renata Longo

 Studi in vivo: Trieste: mammografia, free propagation Trieste: mammografia, free propagation Giappone: cartilagini, gratings Giappone: cartilagini, gratings Per ora 1 solo volontario pubblicatoPer ora 1 solo volontario pubblicato  Programmi di breast imaging Stanford: ABI con tubo RX, studi in vitro Stanford: ABI con tubo RX, studi in vitro PSI :gratings, studi in vitro PSI :gratings, studi in vitro ESRF-Munich: ABI, studi in vitro ESRF-Munich: ABI, studi in vitro UCL: coded apertures, studi in vitro UCL: coded apertures, studi in vitro Competizione internazionale

Obiettivi intermedi 2014:  Studio di fattibilità per la CT clinica in contrasto di fase con luce di sincrotrone  documentazione per richiesta di autorizzazione al comitato etico 2015:  Definizione ed implementazioni protocolli  Iter certificazioni ed autorizzazioni.  Acquisizione della prima paziente. 2016:  Studio clinico ed analisi dei risultati.

I work packages 1.Coordinamento tra le sezioni INFN coinvolte, con Elettra e Azienda Ospedaliero Universitaria TS. 2.Adeguamento della facility di mammografia 3.Detector: caratterizzazione e integrazione 4.Algoritmi di ricostruzione: CT a bassa dose (metodi iterativi) e phase retrival 5.Dosimetria 6.Controlli di qualità (da attivare nel II anno) 7.Protocolli e software gestione esame, CQ (II anno) 8.Protocollo clinico e validazione radiologica 9.Richiesta di autorizzazione al comitato etico

WP 2: Adeguamento della facility di mammografia  Dal 2006 è operativa presso la linea di luce SYRMEP ad Elettra-Sincrotrone Trieste una facility di mammografia clinica radiazione uscente da un magnete curvante. radiazione uscente da un magnete curvante.  E’ stato progettata considerando la naturale evoluzione alla tomografia

Patient Room Detector and Exposimeter Breastcompressionsystem Patient support Beam

Patient positioning mammographytomography

 adeguamento linea di luce HW & SW: dipende dal protocollo di esame HW & SW: dipende dal protocollo di esame  calibrazione camera a ionizzazione al nuovo intervallo di energia  adeguamento supporto paziente  nuovo supporto per immobilizzare il seno in scansione  nuovo supporto detector WP 2: Adeguamento della facility di mammografia

E’ stato scelto per questo progetto Pixirad: detector a conteggio di fotoni, alta efficienza e risoluzione spaziale adeguata all'imaging in contrasto di fase. Adattamento del DAQ per la specifica applicazione Adattamento del DAQ per la specifica applicazione Caratterizzazione del detector alla beamline SYRMEP alle energie del progetto Caratterizzazione del detector alla beamline SYRMEP alle energie del progetto Acquisizione di immagini Acquisizione di immagini  oggetti qualitativi e di calibrazione, reperti operatori WP3 Detector: caratterizzazione e integrazione

PIXIRAD

E’ stato scelto per questo progetto Pixirad: detector a conteggio di fotoni, alta efficienza e risoluzione spaziale adeguata all'imaging in contrasto di fase. Adattamento del DAQ per la specifica applicazione Adattamento del DAQ per la specifica applicazione Caratterizzazione del detector alla beamline SYRMEP alle energie del progetto Caratterizzazione del detector alla beamline SYRMEP alle energie del progetto Acquisizione di immagini Acquisizione di immagini  oggetti qualitativi e di calibrazione, reperti operatori WP3 Detector: caratterizzazione e integrazione

Implementazione di CT multislice spirale con fascio parallelo Implementazione di CT multislice spirale con fascio parallelo Studio di algoritmi CT con ridotto numero di proiezioni (e dose) Studio di algoritmi CT con ridotto numero di proiezioni (e dose) Tecniche iterative di nuova generazione Tecniche iterative di nuova generazione Studio algoritmi di phase retrieval Studio algoritmi di phase retrieval trovare l'algoritmo ottimale non essendo una mammella un oggetto di fase e dato il modesto edge enhancement trovare l'algoritmo ottimale non essendo una mammella un oggetto di fase e dato il modesto edge enhancement WP4: Algoritmi di ricostruzione tomografica e di fase

Immagini tomografiche Phase contrast Phase retrieval Sample: plastic tube (5 mm) filled with poly(methyl methacrylate) (PMMA) powder. Chen R. C. et al J Phys D Appl Phys 44(49) (2011)

 Definizione delle grandezze dosimetriche di interesse per la autorizzazione del comitato etico Recupero in parte dell’esperienza di BCT Recupero in parte dell’esperienza di BCT  Simulazioni per ottimizzare energia e algoritmo di scansione per ottenere acquisizioni alle dose volute confrontabile con la mammografia convenzionale confrontabile con la mammografia convenzionale 1.5 mGy x 2 proiezioni1.5 mGy x 2 proiezioni misure di validazione delle simulazioni misure di validazione delle simulazioni  Modalità di acquisizione di centraggio  Definizione relazioni per il sistema di sicurezza dosi integrate per giro su rototraslazione dosi integrate per giro su rototraslazione WP5: Dosimetria ottimizzazione e certificazione

Dose control and safety system IWORID Renata Longo Ionization chamber B Ionization chamber A safety shutter 1 Safety shutter 2 Imaging shutter

1 proiezione Più proiezioni attorno al paziente Distribuzione di dose profili di dose profondità all'interno del fantoccio [mm] dose [Gy] Simulazioni: M. Costa

Sono un obbligo di legge di cui e’ responsabile il servizio di fisica sanitario dell’ospedale (abbiamo una convenzione in essere che regola questi aspetti)  Funzionamento HW  Funzionamento SW  Protocollo I parametri impostati vengono applicati I parametri impostati vengono applicati  Dosimetrici WP6:Sviluppo protocolli per i controlli di qualità (CQ) (da attivare nel II anno)

WP7: Protocolli e software gestione esame (da attivare nel II anno)  Detector: interfaccia con il sistema di acquisizione interfaccia con il sistema di acquisizione integrazione con sistema di gestione dell’esame integrazione con sistema di gestione dell’esame  Implementazione protocollo d’esame  Definizione e realizzazione nuovo SHMI Supervision and Human-Machine Interface Supervision and Human-Machine Interface  Definizione e realizzazione procedure SW/HW per CQ

WP8: Validazione medica  Definizione protocollo clinico Protocollo di arruolamento: quali pazienti eleggibili ? Protocollo di arruolamento: quali pazienti eleggibili ? Selezione della regione da studiare Selezione della regione da studiare  Reperimento campioni di interesse Campioni chirurgici Campioni chirurgici  Validazione radiologica della qualità delle immagini scout e tomografiche

Work package 9 Richiesta di autorizzazione al comitato etico dell’azienda ospedaliero universitaria Ospedali Riuniti di Trieste

Note finali  Ricerca traslazionale  Raccoglie e valorizza competenze “di eccellenza” dell’INFN Detector (PI), algoritmi (SS, TS), dosimetria (FE, NA, BO), phase imaging (TS, SS) Detector (PI), algoritmi (SS, TS), dosimetria (FE, NA, BO), phase imaging (TS, SS)  Una collaborazione gia’ consolidata con i medici (radiologi e anatomopatologi) e con Elettra