TOPEM (PET TOF probe, compatible with MRI and MRS for diagnosis and follow up of prostate cancer) F. Garibaldi - c.d. s. Roma1, 09-07-2010 PSA SENSITIVITY.

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1 TOPEM (PET TOF probe, compatible with MRI and MRS for diagnosis and follow up of prostate cancer) F. Garibaldi - c.d. s. Roma1, 09-07-2010 PSA SENSITIVITY 83% SPECIFICITY 17% it is the only case fr cacer diagnosis made from tissue obtained on a blind biopsy !! Prostate cancer is the most common cancer and the second leading cause of cancer death The solution PET – TOF MRI/MRS endorectal probe, coupled to external detector(s) and standard PET 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 huge background from the bladder Could we reduce or eliminate it? Multimodality approach is needed TOF (< 300 ps FWHM ! ) would solve the problem In practice there is nothing reliable for diagnosis and follow up

2 Why TOF ? - TOF provides huge performance increase! Can localize the source along line of flight. With 300 ps FWHM, 4.5 cm (just the dimension of the prostate) (in a certain sense one doesnt see the bladder) - Fast convergence (reduced scan time) First results from Catania (LNS) We are almost there! we will improve Improvements in clicnical images (600 ps)

3 Limited space for the PET detector PET detector must not use magnetic materials -> Could distort MR imagge 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 - CITRATE that is present in the normal prostate -CREATINA that may increase in the phlogosis and all the proliferative processes -COLINE specific for a neoplastic transformation Effetti della PET su MRI e viceversa B. Pichler et al. Simultaneous PET-MRI, a new approach Nature Medicine Vol 14, N 4, April 2008 I n conclusion, our results confirm that simultaneous PET and high- field-strength MR imaging with LSO-APD–based PET detectors is feasible without sacrifici the quality of images obtained with either system. The next step will be to focus on the evaluation of the full- ring PET insert. While this work was concentrated on small-animal PET/MR imaging, our results can be transferred to a clinical system, where MR imaging is usually performed at a much lower magnetic field strength. The combination of PET and MR imaging can open new opportunities in preclinical research and clinical diagnosis. When nuclear MR spectroscopy is used with MR imaging and PET, trimodal imaging might be possible and thereby add even more information in biomedical research studies, a new way for a new perspectives in molecular imaging I problemi dellimpatto relativo PET-MRI sono risolti nostri test primi Settembre a Tor Vergata

4 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 Misure di caratterizzazione dei SIPM, Roma1 (Meddi) Si deve monitorare la temperatura, variare la tensione e possibilmente raffreddare (37 gradi 22-25 gradi) (limitare noise e quindi necessita di soglia elevata (effetto sul timing (bisogna triggerare su pochi p.e.) progetto e costruzione del sistema di raffreddamento e del sistema di controllo della temperatura per il 2011

5 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_coinc. = 65 Only_BGO 869 Da progettare e costruire nel 2011 il sistema di raffreddamento (37 22-25 gradi) FOV Coerente con aumento di efficienza del sistema probe + PET esterna ris. spaziale del sistema fortemente dipendente dalla risoluzione del probe -> 1mm – 1.5 mm

6 - 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 Misure Settembre – Dicembre 2010

7 4 richieste dei referees 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 - 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 lanalisii del timing dei SiPM. La Commissione ritiene che i risultati dello studio di fattibilita siano vincolanti ai fini del prosieguo dell_esperimento. Tutte le richieste dei referees sono (o saranno a breve) (come in parte mostrato in precedenza) soddifatte entro Settembre 2010 - caratterizzazione Hamamatsu - prima misura pixel identification in campo magnetico con (3 Tesla, Tor Vergata) - progettazione di un front end integrato per la lettura ed analisi dei SiPM entro Dicembre 2010 - studio della coincidenza temporale con SiPM (gia in parte fatto) per valutare i vantaggi della tecnica TOF sull_imaging prostatico (questo, sara facile spiegare ai referees, non puo avvenire che a fine progetto). I vantaggi sono per altro, come mostrato evidenti anche da immagini cliniche con risoluzione temporale di 600 ps. Noi faremo 300 ps o meno) 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 x5 (10) mm3 (la matrix della SenSL (pitch 3 x 3 mm2)) - scintillatori (LYSO 3 x 3 x 5(10) mm3) (e il prototipo 0 (senza ASIC); dovrebbe seguire il prototipo (2012) (con ASIC) e il prototipo 2 ingegnerizzato a fine 2013) - elettronica: scheda ibrida finale (Ge e Bo) (dual layer 5 mm LYSO per miglior risoluzionee Deept Of Interaction (DOI) (512 ch) - ASIC minimal implementation : preamp-discriminators. Elevata densita di canali per processamento off-detector goal: ASIC finale con tutte le funzionalita (ADC + TDC) (minimal wiring, serial communication). (Bari+Bo (+To) ) (2011-2012) confronto con moduli 3 x 3 mm2 IRST se disponibili parte front end gia progettata

8 Richieste per il 2011 (approssimative, cifre analoghe per il 2012)(e un progetto triennale 2010-20120 Bari: misure timing co PMT, caratterizzazione scintillatori, ASIC (front end) Bo: progetto e costruzione sk ibrida per timing (coll. Con INFN Ge), da utilizzare in attesa dellASIC finale (in collaborazione piu larga (INFN To ed altri) Ge: progetto e costruzione sk ibrida per timing (coll. Con INFN Bo), da utilizzare in attesa dellASIC finale (in collaborazione piu larga (INFN To ed altri). Simulazione Genat4(e Gate) in collaborazione con Roma1/ISS) LNS: caratterizzazione SiPm (PDE, ris. in energia, misure di timing) Roma1/ISS: simulazioni Geant4(e Gate) in collaborazione con Genova. Misure di base su minirivelatori prototipo. Progetto e costruzione del Prototipo_0 e misure di test per timing. Costruzione di un fantoccio PET-MRI. Misure di compatibilita PET MRI (collaborazipne con Universita di TOV). Misure di caratterizzazione di SiPm (Temperatura). Progetto e costruzione del sistema di raffreddamento e del sistema di controllo/monitoring/feedback della temperatura