Relatore: Prof. Vincenzo Patera Correlatore:Prof. Adalberto Sciubba Università di Roma “Sapienza” Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica “ SVILUPPO DI UN SISTEMA DI CONTROLLO DI QUALITA’ PER CRISTALLI SCINTILLANTI PER TOF-PET ” Relatore: Prof. Vincenzo Patera Correlatore:Prof. Adalberto Sciubba Laureando: Fabrizio Stinchelli

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

Time-Of-Flight PET Vantaggi della TOF PET: - 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) 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

SCINTILLATORI E FOTOMOLTIPLICATORI 20 ns/div Contatore plastico a 1400V 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. 40 ns/div LYSO a 1100V

ARGOMENTO DELLA TESI: CRISTALLI SCINTILLANTI PER TOF PET NaI (Tl) BGO GSO CsI LSO LYSO LaBr3 Output di luce [ph/MeV] 41000 9000 8000 66000 31000 32000 65000 Picco di emissione [nm] 410 480 440 565 420 360 Tempo di decadimento [ns] 230 300 600 1000 40-47 41 15 Indice di rifrazione 1.85 2.15 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 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 Scopo Tesi: Realizzare un sistema di controllo di qualità per cristalli scintillanti per TOF PET Sistema di controllo di qualità: Scintillatore NaI operante da trigger, sorgente di calibrazione, fotomoltiplicatore H6524 dell’Hamamatsu accoppiato al cristallo da testare 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”

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) Cristalli NaI PM Partitore resistivo 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

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 Moduli NIM HV SET-UP Scintillatore NaI+PM DISCR SCALER Plateau intorno a 900V (tensione scelta come alimentazione)

CALIBRAZIONE TDC V488A SET-UP In arancio i moduli VME Modulo VME NIM-ECL-NIM Translator Mod. N92 Caen TDC V488A Caen Dual Timer Mod. N417 Caen Logic Unit Mod. 81 A Caen Delay I/O Register Mod. V513 Caen Strobe Canale 0 Dual Timer Mod. 2255B 1° sezione IN OUT 2° sezione OUT Reset In arancio i moduli VME Il TDC (Time to Digital Converter) digitalizza le misure dei tempi dei rivelatori (risoluzione temporale)

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, 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 SET-UP Oscilloscopio Esempio di carica iniettata nello WFD WFD V1721 Caen ATTENUATORE IMPULSATORE Inietta quantità di carica note WFD counts 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)

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

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

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 Tensione alimentazione NaI: 900 V Soglia di discriminazione NaI triggerante: -170 mV Soglia di discriminazione NaI triggerato: -20 mV NaI “trigger” NaI “triggerato” Na-22

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

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 Range di tensione utilizzato per calibrazione in energia La posizione dei picchi è ottenuta dagli spettri di carica ottenuti dallo Waveform Digitizer V1721. Guadagno HV

Fit dei picchi tramite ROOT Picco da 1.17 MeV (Co-60) Picco da 0.511 MeV (Na-22) σ/μ~5% Picco da 1.33 MeV (Co-60) Picco da 1.27 MeV (Na-22) Picchi del Co-60 con NaI triggerato a 800V Picchi del Na-22 con NaI triggerato a 900V

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) Peak position Il punto di lavoro per i NaI è 900V HV

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 Na-22 LYSO NaI (trigger)

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

RISOLUZIONE ENERGETICA LYSO GEOMETRIA Tensioni di alimentazione: NaI 900V (trigger) LYSO da 2200V a 2450V Soglia di discriminazione: NaI –170 mV Na-22 LYSO NaI (trigger)

Fit del picco a 0.511 MeV del Na-22 tramite ROOT Picco da 0.511 MeV (Na-22) σ/μ~13% Picco da 0.511 MeV (Na-22) σ/μ~13% Picco da 0.511 MeV del Na-22 con LYSO triggerato a 2200V (sinistra) e a 2450V (destra)

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)

Risultati / (NaI) ~ 5% (NaI) ~ 3.51 ns Per 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 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 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