TOPEM Rome meeting 05-07-2010 Informazioni da Mozinski: Hi Franco, Timing tests are done with a small LSO (3x3x3 mm). Timing is improved down to 220 ps.

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1 TOPEM Rome meeting 05-07-2010 Informazioni da Mozinski: Hi Franco, Timing tests are done with a small LSO (3x3x3 mm). Timing is improved down to 220 ps per one detector due to a current preamp and a higher bias voltage. But this is not yet a full optimization. Tomek has waited a longtime for the home made preamp, but it was sufficient to get first results and submit abstract for IEEE in Knoxville. Please call tome on Monday. Best regards Marek. (stiamo pensando di invitarlo per qualche giorno a Bari fine giugno/primissimi di Luglio) Ordine del giorno 1. Introduzione (Franco) 2. Breve discussione della elettronica (ASIC e il resto) per avere anche un parere di Angelo) (Paolo/Alessandro e Antonio/Flavio) 3. Stato e prospettive delle varie parti del sistema in funzione dei 4 items dei referees circa lo studio di fattibilita - layout del sistema e problemi connessi - FOV e simulazione (Franco) - effetti della PET su c.m. MRI (e vice versa) (Franco) - TOF (vantaggi) (Franco) - misure di timing- PMT (De Leo/Perrino)- SiPM (Finocchiaro/Cosentino) - elettronica - architettura (Paolo/Alessandro) - ASIC (Antonio/Flavio/ Angelo (gigatracker) - temperatura, sua misura e feedback sulla elettronica (Meddi) - SiPm (altre misure (PDE etc)) (Cosentino) - scintillatori (caratterizzazione) (De Leo)- altro...... - e necessario rispondere alle 4 richieste dei referees (Luglio/Settembre Dicembre) a) realizzazione di un rivelatore PET composto da due testate delle dimensioni di circa 2 x 2 cm2 con cristalli pixellati di LYSO/LSO e lettura della luce di scintillazione mediante array di SiPM; b) verifica della sua compatibilita_ con MRI mediante test degli effetti del campo magnetico sull_imaging PET e degli effetti dell_apparato PET sull_ imaging MRI; c) studio della coincidenza temporale con SiPM per valutare i vantaggi della tecnica ToF sull_imaging prostatico; d) progettazione di un front-end integrato per la lettura e l_analisi timing dei SiPM. La Commissione ritiene che i risultati dello studio di fattibilita siano vincolanti ai fini del prosieguo dell_esperimento. Dobbiamo cercar di capire levoluzione dellesperimento, a partire dal prossimo anno (cosa fare, cosa chiedere) Dobbiamo mostrare di aver affrontato tutti i problemi (inclusi quelli di compatibilita con MRI e pratici (dimensioni, layout, etc). Non possiamo proporre cose (eventualmente) non fattibili. [ problemi legati alle dimensioni, alla temperatura, architettura del readout (tutto dentro vicino al rivelatore? Tutti i segnali fuori mediante tab bonding? Etc. etc. Non dico che dobbimamo aver risolto i propblemi, ma mostrare di correttamente impostati avendo idee su come risolverli realisticamente. Informazioni sui radiotraccianti: (mail da Martin Pomper (Jhohns Hopkins) Yes... we have progress with the radiotracer. It has been slow, but we finished the validation runs for our new PET probe last week and are now applying to our IRB for the "first-in-man" study, which should be in about eight weeks. Thanks for keeping me updated. Marty

2 Dedicated PET detector ring (Moses) Better than standard scannner but still limited. - Endorectal probe: PET coupled to a dedicated detector or to a standard PET scanner huge background from the bladder !! Could we reduce or eliminate it? drawback of the 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

3 Simulazioni (Roma1 – ISS) BGO_nonzero :1012 LSO_nonzero :3668 LSO_single = 1886 BGO_single = 634 LSO_BGO_coincidence = 33 Only_BGO 905 BGO_nonzero :1105 LSO_nonzero :2351 LSO_single = 1184 BGO_single = 718 LSO_BGO_coincidence = 31 Only_BGO 1026 BGO_nonzero :1065 LSO_nonzero :2376 LSO_single = 1269 BGO_single = 697 LSO_BGO_coincidence = 35 Only_BGO 977 BGO_nonzero :1142 LSO_nonzero :1282 LSO_single = 705 BGO_single = 773 LSO_BGO_coincidence = 0 Only_BGO 11 center source BGO_nonzero :1037 LSO_nonzero :6523 LSO_single = 3413 BGO_single = 645 LSO_BGO_coincidence = 65 Only_BGO 869

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5 Limited space for the PET detector PET detector must not use magnetic materials Could distort MR image PET detector must not emit in MR frequency Could produce MR image artifacts MR-compatible PET shielding materials Could distort MR image MR gradient field-eddy currents Could produce noise in detector Could heat detector MR RF transmit Could produce false PET events MR materials Will produce more gamma attenuation PET/MR Design Challenges -CITRATE that is present in the normal prostate -CREATINA that may increase in the phlogosis and all the proliferative processes -COLINE more specific for a neoplastic transformation MRI & MRS

6 Effetti della PET su MRI e viceversa In comparison to the previous work (19) carriedout with large hybrid amplifiers, the 9 APD signals are now fed into a highly integrated 9- channel charge sensitive preamplifier (Siemens Preclinical Solutions, USA) (17). The output signals of the preamplifier are buffered and led outside the magnet by 6 m fully 9/2727 shielded non magnetic coaxial cables (Leoni, Germany). All electronic parts are selected to be non magnetic and mounted on a custom made 6-layer printed circuit board (PCB) which has a flexible connection between the APD and the preamplifier in order to allow a height adjustment of the LSO-APD detector in the radial position of the gantry (Fig 2). The PCB was optimized for operation in a high magnetic field to keep eddy currents in and ground planes low. While the LSO-APD detector, preamplifier, and buffers (Fig 2) are residing inside the magnet, the 9 analog signals are processed, outside the 5 Gauss line, with a custom made 9 to 4 analog multiplexer, providing event position and energy information from the 12 x 12 crystal block. For the test setup used in this work, the analog signals were post processed with standard nuclear instrument modules (NIM) analog-to-digital conversion achieved by using a PD2-MFS-8 2M/14 data acquisition (DAQ) board (United Electronic Industries Inc., USA) mounted in a standard PC (20). For the final detector ring, dedicated PET electronics (Siemens Preclinical Solutions) will be sed to digitize the signals and perform the coincidence processing of all 10 detectors. Based on problems seen in preliminary studies (19), we used double-sided printed circuit board (PCB) material coated with 10 μm copper for electromagnetic shielding to protect the PET front-end electronics from distortions induced by MR sequences. The copper layer of this material was only 10 μm thin to avoid artifacts in MR images by eddy currents induced in the material. The copper material was jet-cut into pieces and soldered together at the edges to form a solid box (Fig 2). Si veda per esempio Pichler-nature.pdf e pichler nature supplement.pdf. Inoltre pet-mri-pichler.pdf (in particolare pg 8 e 9)

7 - misure elementari utili per la scelta della geometria (pixel identification etc) [ LYSO continuo vs LaBr3 (non ancora a disposizione) - sandwitch di due rivelatori ~ 15 x 15 x 5 mm3 visti da 4 arrays di SiPM (minimizzazione DOI) - test di compatibilita PET MRI (entro meta Settembre): rivelatore e sk collegati con cavi di 2.5 m con lelttronica - impatto PET su MRI - impatto MRI su PET - LYSO 3 x 3 mm2 pixel ; SiPM Hamamatsu (3 x 3 mm2 pixel) - Readout (single photon) per PSPMT Roma1-ISS minirivelatore SensL Hamamatsu_new Hamamatsu

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9 Contemporaneamente - simulazione (con A. Mantero (Genova)) completa per confronto 3 x 3 mm2 vs ~ 1.5 x 1.5 mm2 e continuo (confronto con misure su LaBr3 vs LYSO) e possibilmente con geometrie non piane - disegno CAD per le differenti soluzioni e calcoli per sistema di raffreddamento - misure con sensore, test di feedback per stabilizzazione temperatura - costruzione fantoccio PET MRI e test in c.m. - costruzione coil interno al probe e possibili test (??)

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11 Figure 2. The figure shows three typical spectra acquired using the same reverse bias voltage (32.0V), but the detector thermostated at different temperatures: a) 13.5C, b) 24.3 C, c) 41.5C. Gain reduction with temperature is due to the variation of breakdown voltage with temperature. Fig.2 Variazione della tensione di breakdown in funzione della temperatura Fig.3 Variazione di guadagno al variare dellovervoltage Fig. 1 Setup Roma1

12 entro Settembre - caratterizzazione Hamamatsu - prima misura pixel identification in camo magnetico (3 Tesla, Tor Vergata) - entro Dicembre: caratterizzazione SenSL e Hamamatsu di diverse dimensioni e microcelle 2011 - costruzione di due rivelatori in dimensioni reali - 25 x 50 x 5 (10) mm3 (moduli di array SiPM Hamamatsu con area morta minimizzata) - 50 x 50 x 5 (10) mm3 (moduli di array SiPM Hamamatsu con area morta minimizzata) scintillatori pixellati LYSO(LSO) (possibilmente dopati al Ca) e il proto 0 - confronto con moduli 3 x 3 mm2 IRST se disponibili

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15 Bilancio 2010 > Riunione Assegnazioni > Gruppo V > Esperimento TOPEM > Verbale riunione Verbale del Referee L_esperimento intende realizzare un nuovo sistema di imaging della prostata, basato su un rivelatore PET in combinazione con una MRI di tipo endorettale. La tecnica proposta intende risolvere gli attuali problemi diagnostici del cancro della prostata attraverso un rivelatore PET in grado di migliorare efficienza e risoluzione spaziale dell_imaging prostatico dopo la somministrazione di Colina radiomarcata C11. L_immagine funzionale combinata con MRI ad alta risoluzione dovrebbe migliorare in modo consistente il valore prognostico. Il finanziamento proposto avvia un primo studio di fattibilit_ articolato in quattro punti: a) realizzazione di un rivelatore PET composto da due testate delle dimensioni di circa 2 x 2 cm2 con cristalli pixellati di LYSO/LSO e lettura della luce di scintillazione mediante array di SiPM; b) verifica della sua compatibilita_ con MRI mediante test degli effetti del campo magnetico sull_imaging PET e degli effetti dell_apparato PET sull_ imaging MRI; c) studio della coincidenza temporale con SiPM per valutare i vantaggi della tecnica ToF sull_imaging prostatico; d) progettazione di un front-end integrato per la lettura e l_analisi timing dei SiPM. La Commissione ritiene che i risultati dello studio di fattibilita_ siano vincolanti ai fini del prosieguo dell_esperimento. Data la necessit_ di integrare fra di loro parti complesse (SiPM, FE chip, readout) la Commissione chiede alla collaborazione di indicare un Technical Coordinator che presenti un documento descrittivo del sistema per maggio 2010. referees: Aloisio, Pani, Del Guerra, Greco, Ambrosi

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