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Aplicações à Medicina Luis Peralta (FCUL e LIP) Aplicações à Medicina

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Aplicações à Medicina

Luis Peralta

(FCUL e LIP)

Aplicações à Medicina

Radioterapia Externa

Aplicações à Medicina 2

Um acelerador linear em fase de instalação

Aplicações à Medicina 3

Radioterapia no IPO de Coimbra

Aplicações à Medicina 4

Sobrevivência de células tumorais / normais

Células

alid

ade

Células tumoraisCélulas normais

Mor

ta

Aplicações à Medicina 5

Simulação do acelerador

Aplicações à Medicina 6

Feixes finos com fotões de alta energia

Modelo multi-fontes para fotões

RadiocirúrgiaRadiocirúrgia

colimadores adicionais

Aplicações à Medicina

O exemplo da radiocirurgia

Aplicações à Medicina 8

Cálculo de dose

Sistema planeamento comercial

MC s/ heterogeneidades MC c/ heterogeneidades

Aplicações à Medicina 9

Radioterapia intracavitária

Irradiação ginecológicaIrradiação ginecológica

Fonte Ir-192

Aplicações à Medicina 10

Braquiterapia Mamária

Aplicações à Medicina 11

Braquiterapia da Próstata

Aplicações à Medicina 12

Simulação de fontes de iodo-125

r

Aplicações à Medicina 13

Dosímetros para aplicações médicas/escolares

Aplicações à Medicina 14

Caracterização em função da temperatura

Sistema de aquecimento Fonte radioactiva

1,0

1010BR16BR33BRS8193

Hamamatsu S1337

0,6

0,8

lidad

e no

rmal

izad

aElectrómetroRegulador de

potência

0 0

0,2

0,4

Sens

ibil

Aplicações à Medicina Jornadas do LIP 2008

0 10 20 30 40 500,0

Temperatura (ºC )

Simulação da Siemens E.Cam Dual Head

Simulado Simulado

Câmara gama gHospital do Alvor

E i t l

Aplicações à Medicina

Experimental Experimental

Princípio Físico do PET

positrão +electrão → 2 fotões

+β +βEmissão do positrão

Aniquilação

Aplicações à Medicina 17

ClearPEM Project

The ClearPEM scanner is developed in the framework of the Crystal Clear Collaboration at CERN by theof the Crystal Clear Collaboration at CERN by the consortium PET-Mammography

Sensitivity@350 keV (%)

LIP - Laboratório de Instrumentação e Partículas

4 cm off-axis3 cm s m

)

Consortium PET-Mammography.LIP Laboratório de Instrumentação e PartículasHospital Garcia Orta - Serviço Medicina NuclearIBEB - Instituto Biofisica e Engenharia BiomédicaIBILI - Instituto Biomédico de Investigação da Luz e Imagem

off-axis2 cm

off-axis1 cm

ff i

Y-ax

i(c

m

INOV- INESC InovaçãoINESC-ID - Instituto de Engenharia de Sistemas e ComputadoresINEGI - Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão IndustrialTAGUSPARK Parque de Ciência e Tecnologia

central slice

off-axis

X-axis (cm)

Aplicações à Medicina 18

TAGUSPARK – Parque de Ciência e Tecnologia

Positron Emission Mammography

Dedicated PET scanner for breast imagingBreast exam

ClearPEM requirements:

High detection sensitivity

Spatial resolution (1-2 mm FWHM)

Time resolution for backgr. rejection (1-2 ns)

Shorter exams and/or less dose (370 MBq)

Detector concept:

Two planar heads

Mammary gland and axilla region exams

Exam with the patient in prone position Axilla exam

Aplicações à Medicina 19

Adjustable distance between heads and rotation angle

Detector Technology

20 mm long LYSO:Ce crystals

Crystal matrices with BaSO4 reflector

Avalanche Photo Diodes (APD)Avalanche Photo Diodes (APD)

Double readout mode

Depth-of-interaction (DOI) measurement

Aplicações à Medicina 20

6144 crystals 192 detector modules384 APD arrays

Frontend ASICState of the art detector frontend electronicsVery low noise amplifiers, analog memories and multiplexersTypical input charge ~30 femto Coulombyp p gData driven synchronous architecture

ASIC V3 Layout

Input: 192 channels

Max input charge: 90 fC 8 channels blockShaping: 40 ns

Noise: ENC ~ 1300 e-

Clock frequency : 100 MHz

ASIC V3

Analog memories: 10 samples

Output multiplexing: 2 highest channels

32 channels blockFull chip

192 channels

Power: 3 mW/channel

Largest number of input channels in aTechnology: CMOS 0.35 PCB layout with micro-viasWi b di f hi

Aplicações à Medicina 21

Encapsulated chipLargest number of input channels in achip for APDs readout

gyμmChip area: 70 mm2

Wire-bonding of chip on-board

Frontend Electronics Integration

Compact system inside the Detector Head:

Detector Supermodule

6000 APD channels400 HV lines160 hi h d (600 MH ) t t li160 high speed (600 MHz) output linesHigh frequency clock (100 MHz)

Frontend BoardHigh-voltage board

Aplicações à Medicina 22

Data Acquisition System

DAQ BoardTRG/DCC Board

TGR/DCC BoardCMS like trigger and data

4 x DAQ Boards

TGR/DCC BoardCMS-like trigger and data acquisition system

System is housed in a 4 x DAQ BoardsSystem is housed in a single crate with two dedicated buses

Aplicações à Medicina 23

Detector Services

Control panels

DAQ Test System

DAQ Server8 cores, 2 TB disk array

Service Manager2 cores, 0.5 TB disk array

Gigabit Switch

High Voltage Supply

g

Low Voltage Supply

Isolator Transformer

Aplicações à Medicina 24

Isolator Transformer

Detector Head

S d l D t t h dSupermodule:• groups 24 detector modules

• 2 Front End Boards

Detector head :• 4 supermodules

• 1 Service Board• 2 Front-End Boards

• 4 ASICs with 192 channels

• 1 Service Board

• 2 cooling plates

Aplicações à Medicina 25

12 288 electronic channels

Assembled Detector Heads

DetectorHeadsHeads

Data Acquisition ElectronicsElectronics

(L1 hardware trigger)

Aplicações à Medicina 26

ClearPEM Robotic Manipulator

Power Distribution GridGrid

Embedded CPU and RealTimeOS

Control Rack

Robot AxisDrivers

To be installed at HGO as soon the civil work is concluded in the examination room

Robotconcluded in the examination room

Aplicações à Medicina 27

ClearPEM Examination Bed

PET t HGO

• Three motion axis of the ClearPEM robot will be moved the examination

PET room at HGO

• Three motion axis of the ClearPEM robot will be moved the examination bed

• Preparing installation at hospital

Aplicações à Medicina 28

Control Workstation

Operation, Monitoring, Reconstruction and Visualization Software

Start an acquisitionStart an acquisition

Online monitoring

4 cores 4 GB RAM 1 TB disk arra

Image visualization and analysis

4 cores, 4 GB RAM, 1 TB disk array

Aplicações à Medicina 29

O Detector ISPA

Aplicações à Medicina 30

Background motivationISPA t CERNISPA group at CERN

(Imaging Silicon Pixel Array)

Technology transferHigh-energy semiconductor particle tracking detectors

Low-energy imaging applicationsimaging applications

Nuclear MedicinePlanar Imaging

SPECTPET

Low spatial resolution(typically 3 to 8 mm) PET( yp y )

Compact, handheld and high resolution

Aplicações à Medicina 31Anger gamma camera

Compact, handheld and high resolutiongamma camera system

Operation principle Photocathode Silicon pixel detector

Collimator

Photocathode Silicon pixel detector

El t t ti hi ld -20 kV 0 V

Electrostatic tubeC t l i till t

Electrostatic shield

Aplicações à Medicina 32

Crystal scintillator

Not to Scale

Operation principle

Aplicações à Medicina 33

-20 kV 0 VNot to Scale

Operation principle

Aplicações à Medicina 34

-20 kV 0 V

Operation principle Analog information

Valid 2D hit mapsValid 2D hit maps

Aplicações à Medicina 35

0 VDigital information

Operation principle Analog information

8 mm x 6.4 mm

Aplicações à Medicina 36

0 VDigital information

3 holes of 1 mmseparated by 2 mm

Technical implementations and results

ISPA-tube CRYSTAL SCINTILLATOR

Material YAP:Ce (Yttrium-Aluminiun Perovskite doped with Cerium)Size 31 mm diameterThickness 2 mm Light yield 10 ph/keVDecay time 27 nsWavelength of maximum emission 370 nmAb i ffi i 89% @ 60 k VAbsorption efficiency 89% @ 60 keV

Aplicações à Medicina 37

Al 95% reflectivity

Final evaluation

ISPA-tube122 keV point source

SPECT camera140 keV point source

Aplicações à Medicina 38

Final evaluationAfter a normalization of both test condition setups(time-activity concentration and energy sensitivity)

ISPA-tubeSPECT camera ISPA tubeSPECT camera

5 minutes i l t

14000 countsFWHM 4 3 mm

2800 countsFWHM 0 6 mm

Aplicações à Medicina 39

equivalentFWHM ~4.3 mm FWHM ~0.6 mm

Agradecimentos

João Varela (ClearPEM)

Patrick Sousa e Conceição Abreu (ISPA)

Adérito Chaves (Radiocirurgia)

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