Positron Emission Tomography (PET) Tesi di laurea nel campo dell’imaging molecolare con radionuclidi Sviluppo di rivelatori per diagnosi di malattie oncologiche e cardiovascolari (franco.garibaldi@iss.infn.it) Lo studio preclinico e clinico di malattie di grande rilevanza sanitaria e sociale (oncologiche e cardiovascolari), richiede l’uso di tecnologie avanzate derivate dalla fisica delle alte energie. Le tecniche di imaging con radionuclidi hanno un ruolo cruciale per le loro caratteristiche di specificita’ (rilevano le caratteriche delle lesioni) e la elevatissima sensibilita’ Positron Emission Tomography (PET) Per la caratterizzazione anatomico funzionale e molecolare e’ spesso necessario pero’ integrare queste tecniche in piattaforme multimodali (SPECT-MRI e/o PET-MRI)

Progetto costruzione e test di un rivelatore prototipo PET TOF compatibile con MRI per la diagnosi e il follow up del cancro della prostata Il cancro della prostata e’ il piu’ diffuso e la seconda causa di morte per l’uomo. E’ quindi un problema sanitario e socio-economico molto rilevante. Non esiste nulla se non il PSA. Sono necessarie quindi tecniche atte alla diagnosi e alla caraterizzazione della malattia . E’ necessario mettere a punto un rivelatore multimodale che consenta l’imaging morfologico e funzionale (PET-MRI). La MR puo’ inoltre essere usata in modalita’ spettroscopia con enormi vantaggi per la diagnosi. Bisogna utilizzare quindi fotorivelatori insensibili al campo magnetico della risonanza Standard PET detectors far away from prostate poor spatial resolution (6–12 mm) poor photon detection efficiency (<1%) activity ouside the organ -> poor contrast resolution La proposta: un PET probe endorettale da accoppiare ad un rivelatore esterno dedicato o a una PET convenzionale. Si puo’ dimostrare che le performances del sistema sono dominate dal rivelatore vicino alla sorgente (in questo caso la prostata). Bisogna costruire quindi un rivelatore con elevata risoluzione spaziale (~ 1mm) ed alta efficienza (quello che conta e’ il Signal to Noise Ratio (SNR)

Scintillatori: devono essere veloci e con alta resa luminosa, elevato stopping power,e fotofrazioner (LSO o LaBr3) Fotorivelatori: devono avere buona efficienza quantica, essere veloci ed insensibili al c.m: SiPm L’SNR della PET puo’ essere migliorato in modo decisivo mediante l’uso della tecnica del TOF che, tra l’altro consente di “isolare” la prostata dal fondo rileante della vescica. Biosgna usare i Silicon PhotomultiPliers come fotorivelatori (insensibilita’ al c.m. ottime caratteristicge caratteristiche di timing (<300 ps)!! in non TOF case the voxels are coupled, the statistical noise is increased TOF information reduces the coupling, so the statistical noise. If the distance between 2 voxels > DX=cDT/2 they are uncoupled

simulazione mediante Geant4/Gate caratterizzazione SiPm da fare simulazione mediante Geant4/Gate caratterizzazione SiPm misure di base su minirivelatori (diversi scintillatori diversi SiPm etc) -misure di timing con PMT e SiPm -misure di compatibilita’ con scanner MRI franco.garibaldi@iss.infn.it (0649902243; 3471422302)

Ultra – high resolution SPECT Ultra – high resolution SPECT. Studio preclinico di malattie cardiovascolari. Verifica della efficacia delle terapie dell’infarto mediante cellule staminali These reports underscore the need for a greater understanding of the mechanisms underlying stem cell biology and cellular reparative therapy, and their potential uses in the post-infarction state. Per la verifica delle efficacia degli effetti di terapie dell’infarto con cellule staminali occorre, tra l’altro, eseguire misure di perfusione, estrarre parametri macroscopici quali la LV (frazione di eiezione vnbtricolare) e verificare l’eventuale effiacia delle terapie mediante verifica del recuoero delle funzionalita. Occorre disporre di un rivelatore con risoluzione submillimetriuca ed alta efficienza. Gli effetti da rivelare sono molto piccoli, e bisogna farlo sui topi!

Bisogna migliorare risoluzione spaziale ed efficienza Si e’ messo a punto un rivelatore prototipo (collimatore pinhole, scintillatore pixellato (NaI(Tl)) 1.5 mm pitch) elettronica con lettura a canali indipendenti. Misure su fantoccio e piccoli animali (topi) SPECT Risoluzione spaziale 300-800 m ed efficienza ~35 cps/MBq DA FARE - messa a punto di 2(3) rivelatori aggiuntivi, fine tuning della elettronica calibrazione del sistema misure su modelli di topi infartuati analisi di dati da tomografia collimatori multipinhole test con minirivelatori con SiPm (studiare la fattibilita di un sistema multi modale (SPECT-MRI)) da Acton et al. Fusione di immagini di perfusione (non contemporanee) di SPECT ed MRI su ratto. Si deve fare sul topo e contemporaneamente Bisogna migliorare risoluzione spaziale ed efficienza misure eseguite su topo con diverse vie di iniezione (tail vein e peritoneo) mostrano che si puo’ fare sperimentazione con modelli di topi infartuati franco.garibaldi@iss.infn.it (0649902243; 3471422302)

-> migliore risoluzione sensibilita=> rivelabilita’ Molecular Breast Imaging (MBI). Messa a punto di un rivelatore duale per la diagnosi del cancro della mammella mammografia molto sensibile ma non specifica  biopsia (invasiva, ansiogena costosa) tecniche con radionuclidi specifiche rivelatori standard lontani dalla sorgente e bassa risoluzione  solo tumori palpabili (troppo grandi per la diagnosi precoce) Sono necessari rivelatori piu’ piccoli (quindi vicini alla sorgente) e ad alta risoluzione ed elevata efficienza (bisogna “vedere” tumori piccoli). Primo passo: 1 rivelatore che fitta l’organo, ad alta risoluzione Secondo passo: due rivelatori con tecnica di maggior compressione locale (vicinanz -> migliore risoluzione sensibilita=> rivelabilita’

Clinical trials with single head detector first step Clinical trials with single head detector Parallel collimator + NaI(Tl) pixellated (1.5 mm pitch, the smallest in this kind of application -> best intrinsic resolution). Readout of all individual channels - 10 trials , University of Roma2 (TOV) They have also an high resolution dedicated detector 2 big tumors 1 small tumor (< 10 mm) 7 “negative”, suspicious to mammography, negative (or positive in some case) ultrasound and MRI) Next step: further increase of the spatial resolution and efficiency (so SNR, then detectability of small tumors) with local compression, using pinhole collimation and LaBr3(Ce) to improve energy resolution (high background coming from hearth) for “easier” detection of tumors close to the chest (very difficult to detect).

Second step: the new detector dual head with spot compression 8 – Fotomoltiplicatori H 9500 "Italian Patent Pending No. RM2008A000541".

a b Confronto tra il nostro rivelatore duale, con tecnica spot compression ed un rivelatore dedicato. a. entrambi i rivelatori “vedono” il tumore. b. solo il nostro rivelatore “vede’ il tumore da fare fine tuning della elettronica messa a punto di algoritmi per l’analisi delle immagini trials clinici (Unversita’ di Tor Vergata) franco.garibaldi@iss.infn.it (0649902243; 3471422302)

backup

Readout Improvements: 1) Higher sensibility: the trigger can be generated by the single channel whose uniformity is achieved by the variable gain. 2) Lower channel correlation: by definition, each channel is read independently; this improve the quality of the acquired signal and consequently the Signal to Noise Ratio, 3) Higher flexibility: better channel-to-channel unformity and transparent “hot channel” suppression, 4) High processing capability: data can be processed in more detailed and accurate way, compensating for distorsion and improving quality parameters minimizing collateral effects on other parameters. 5) Higher speed (> 10 KHz)

doesn’t work for dense breast Molecular Breast Imaging (MBI). Messa a punto di un rivelatore duale per la diagnosi del cancro della mammella X-ray mammography,the most sensitive method but - it shows lesions, not cancers 15-30% positive predictive value biopsy - invsiveness (proportional to the risk of missing the cancer) - expensive - ansiety - false positive (problems in successive mammographic controls) - false negative (medical problem great, delay in operation) and doesn’t work for dense breast