1ClearPEM Project

Projecto ClearPEMProjecto ClearPEM

Ciência 2007, Gulbenkien, 13 Abril 2007

Projecto e construção de um sistema de Tomogragrafia por Emissão de Positrões (PET)

para Mamografia partindo de tecnologias importadas da Física experimental de Partículas

Da Física de Partículas às Ciências da Saúde

Rui Moura, LIP

2ClearPEM Project

Experiência CMS no LHCExperiência CMS no LHC

Depois de 15 anos a projectá-lo e construí-lo…

…aprendemos a fazer coisas difíceis!

3ClearPEM Project

Projecto PET MamografiaProjecto PET Mamografia

Objectivo:Desenvolver e construir em Portugal um protótipo PET estado-da-arte dedicado à detecção do cancro da mama.

ClearPEM

Estratégia:Criar um Consórcio Nacional capaz de fazer o desenvolvimento

Estabelecer parcerias internacionais para validar e difundir a tecnologia:

Crystal Clear Collaboration no CERN

4ClearPEM Project

• LIP (Lab. Instrumentação e Física Experimental Partículas)– Coordenação Científica– Simulação e Detectores de Radiação– Arquitectura dos sistemas electrónicos

• INOV – INESC Inovação e INESC – id (Inst. Engª Sistemas Computadores)

– Desenvolvimento de Sistemas Electrónicos– Circuitos Integrados (ASIC, FPGAs)

• HGO Hospital Garcia de Orta– Especificação e Ensaios Clínicos

• INEGI (Inst. Engª Mecânica e Gestão Industrial)– Sistemas Mecânicos e Electromecânicos

• IBEB (Inst. Biofísica e Engª Biomédica, Fac. Ciências Lisboa) – Algorítmos e software de reconstrução de Imagem

• IBILI (Inst. Biomédico Investigação Luz e Imagem, Univ. Coimbra)– Software online e Radioisótopos

• Taguspark– Promotor. Valorização Industrial.

Consórcio PET MamografiaConsórcio PET Mamografia

~ 40 pessoas Finaciamento

5ClearPEM Project

TagusLIPTagusLIP

Área quente dedicada ao trabalho com fontes radioactivas

Laboratório de instrumentação médica no TagusPark

Inaugurado em Nov 04

6ClearPEM Project

Fluorine-18 Fluordeoxyglucose Fluorine-18 Fluordeoxyglucose (FDG)(FDG)

A A

Tomografia por Emissão de PositrãoTomografia por Emissão de Positrão

Detecção de Fotões

Processamento de Sinal

Aquisição de Dados

Reconstrução de Imagem

FDG - glucose com F-18 (radiofármaco)

Aniquilação do positrão: e+e-

Dois fotões de 511keV em direcções opostas

7ClearPEM Project

Boa resolução espacial (1-2 mm):

Capacidade de medir a profundidade de interacção para evitar erros de paralaxe

Elevada sensibilidade para pequenos tumores:

Baixa dose injectada

Exames mais curtos

Sistema de aquisição de dados de alto desempenho

Baixo ruído de fundo nas imagens:

Boa resolução temporal

Electrónica no estado-da-arte

Requisitos ClearPEMRequisitos ClearPEM

8ClearPEM Project

Sistema de Imagiologia ClearPEMSistema de Imagiologia ClearPEM

Exames à mama e à axilaExames à mama com o paciente de bruços

As placas rodam à volta do peito

As placas posicionam-se para examinar a axila

Manipulador robótico PEM

Placas detectoras PEM

9ClearPEM Project

Modelo do detector ClearPEM

Detector ClearPEMDetector ClearPEM

Duas placas detectoras 192 matrizes de cristal Superfície: 14×16 cm2

6000 cristais LYSO:Ce ( 2x2x20 mm ) Fotodíodos de Avalanche (12’000 APD’s) Electrónica baixo ruído (12’000 amplif.) Aquisição de dados com elevada largura

de banda

Elevada densidade de integração:27 canais / cm2

Estabelecer um novo estado-da-arte

10ClearPEM Project

Módulos de Detecção LYSO-APDMódulos de Detecção LYSO-APDMatriz de Cristal

Módulos do Detector

Controlo de Qualidade: Uniformidade de

Ganho Resolução em

Energia Resolução em DoI Cross-Talk

11ClearPEM Project

Integração da Electrónica de LeituraIntegração da Electrónica de Leitura

Super-módulo Detector

Sistema compacto dentro das cabeças detectoras PEM: 6000 canais de sinais APD 400 linhas de alta-tensão 160 linhas de saída de alto-débito (600 MHz) Elevada frequência de relógio (100 MHz)

Carta de Frontend

12ClearPEM Project

ASIC de Leitura e DigitalizaçãoASIC de Leitura e Digitalização

5.8 mm

1.6 mm

Chip encapsulado Chip

Electrónica de leitura do detector no estado-da-arte• Amplificadores de muito baixo ruído, memórias e multiplexers• Carga típica de entrada ~0.03 pico Coulomb

13ClearPEM Project

Carta de serviço do detectorCarta de serviço do detector

• Regulação de altas-tensões

• Distribuição de baixas-tensões

• Monitorização de temperaturas

• Monitorização de pressão

• Controlo dos ASICs

• Relógio e sincronização

Panel de Conectores e Caixa DetectoraPanel de Conectores e Caixa Detectora

Electromechanical safety switch

Cable carrier

Detector heads

Adapter for source mounting

Collision detection switches

Water distribution block

Patch Panel

Desenho MecânicoDesenho Mecânico Integração do detectorIntegração do detector

Placas DetectorasPlacas Detectoras

14ClearPEM Project

Desenho doDesenho doSistema de ArrefecimentoSistema de Arrefecimento

Temperatura do detector é estabilizada a 18 oC

Implementação doImplementação doSistema de ArrefecimentoSistema de Arrefecimento

Sistema de Arrefecimento do DetectorSistema de Arrefecimento do Detector

15ClearPEM Project

4 cartas DAQ

Carta TGR/DCC

Star-Fabricmezzanine

Sistema DAQ final muito compacto

O sistema de aquisição de dados fica alojado numa crate com dois buses dedicados implementados em suporte CompactPCI.

Processamento Desserializadores

Controlo

Carta DAQ Carta TRG/DCC

Controlo

Processamento

Interface PCI

Sistema de Aquisição de DadosSistema de Aquisição de Dados

16ClearPEM Project

Gestor de ServiçosGestor de Aquisição

Servidor DAQ

Servidor de Serviços

Altas-Tensões

Baixas Tensões

Servidores e Computação

Sistema de Teste

17ClearPEM Project

ArmáriodeControlo

Robô

Implementação do manipulador robóticoImplementação do manipulador robóticoManipulador RobóticoManipulador Robótico

Cofiguração para a mama Configuração para a axila

Desenho do manipulador robóticoDesenho do manipulador robótico

18ClearPEM Project

Imagem reconstruída de fonte de positrões (Na22) com 1 mm de diâmetro

Simulated Data

Dados

Simulação

Fonte radioactiva de Na22 com 1 mm Distância de deslocação 1.4 mmImagens sobrepostas

Imagens de uma fonte deslocadaImagens de uma fonte deslocada

Imagens de Fonte com 1 mm Imagens de Fonte com 1 mm

19ClearPEM Project

Lesão visível ao fim de 5min de aquisição

Dados de simulação

Imagens Recontruídas de LesõesImagens Recontruídas de Lesões

Lesão de 7 mm ØLesão de 10 mm Ø Lesão de 5 mm Ø

Algoritmo de reconstrução 3D-OSEMadaptado à geometria de placas paralelas

20ClearPEM Project

Conclusões

O protótipo de mamografia ClearPEM tem excelente desempenho já demonstrado em laboratório.

Todos os desenvolvimentos tecnológicos requeridos foram completados com sucesso.

O trabalho de integração está a ser concluído para dar início aos testes clínicos.