Uporaba silicijevih detektorjev v medicini

1. Uporaba silicijevih detektorjev v medicini > Slikanje v medicini Mamografija Določanje razporeditve izotopov s Comptonsko kamero V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

2. Silicijevi mikropasovni detektorji > • mikropasovne detektorje uporabljamo v visokoenergiski fizikiza določanje sledi nabitih delcev • prvi pasovno segmentirani detektorji s površinsko zaporno plastjo leta 1980 (E. Heijne) v CERNu • uporaba predojačevalcev z veliko gostoto kanalov (20/mm) • sedaj uporabljeni pri praktično vseh eksperimentih • velikosti do 200 m2 (eksperiment CMS v CERNu) in 107 bralnih kanalov (ATLAS, CMS) V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

3. > Osnovna celica mikropasovnega detektorja je p+ - i – n+ dioda V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

4. Silicijev mikropasovni detektor: > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

5. > • informacijo o poziciji dobimo s segmentacijo detektorjev v pasove (presledki 25 µm ali več) • 2 (3D) informacijo dobimo, če pasove na p oziroma n strani naredimo pod kotom • možno oblikovanje elektrod v obliki blazinic (pixel detektorji) V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

6. > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

7. Povezavo med detektorjem in elektroniko naredimo z ultrazvočnim bondiranjem > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

8. Mamografija > • slikanje dojk z rentgenskimi žarki za odkrivanja raka • najbolj primerna metoda za presejalno (screening) slikanje • redno (letno) naj bi bila izvajana pri populaciji starejši od 40-50 let • dopolnjujejo jo preostale metode (scintimamografija, PET, ultrazvok, NMR) V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

9. Rezultati študije v Veliki Britaniji (1994 -2000) > • na 1000 pregledov se odkrije 4-7 obolenj (starost 50 -70 let) • prejeta doza 2 mGy (4.5 mGy pri dvojnem slikanju) • faktor tveganja 13 – 7 povzročenih rakastih obolenj obolenj/milijon/mGy • razmerje korist/škoda je 55 – 170 V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

10. Upravičenost presejalne mamografije > • raziskava na Švedskem (populacija 210000) • umrljivost zaradi raka na prsih se zmanjšala za 45% od tega 28% zaradi presejalne mamografije • American Cancer society - presejalna mamografija priporočljiva po 40 letu (15. maj 2003) V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

11. Mamografska slika > Detektirati moramo: mikrokalcifikacije – velikost ≥ 100 µm nizkokontrastne tumorje V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

12. Tumorji :nizkokontrastni objekti > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

13. Kaj nam ponuja slikanje s Si detektorji: > • ločljivost mora biti boljša od 100 µm • za detekcijo bolezni je pomembna predvsem kvaliteta slike • izkoristek za detekcijo fotonov je lahko blizu 100% - zmanjšanje prejete doze • zajeta slika je digitalna – linearen odziv • enostavno delo z detektorji V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

14. Absorpcijski koeficienti v Si in Ge > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

15. Simulacija mikrokalcifikacije > • SNR = signal/šum = (N2-N1)/N1 • FOM = SNR/MGD • FOM mera koristnosti (Figure of Merit) • MGD povprečna žlezna doza (Mean Glandular Dose) V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

16. Optimizacija rentgenskega spektra za detekcijo 100 µm velike mikrokalcifikacije z metodo Monte-Carlo > Zvezni spekter Monoenergetski Š. Stres, T. Mali, M. Mikuž, V. Cindro: Phys. Med. Biol. 45 (2000) 2029 – 2041 V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

17. Meritve z detektorjem > Detektor I: CSEM, debelina 300 mikronov, 200 mikronov med pasovi Detektor II: izdelan na Fakulteti za elektrotehniko → D. Vrtačnik, D. Križaj, D. Resnik, U. Aljančič iz skupine S. Amona, debelina 220 mikronov, Izvor rentgenskih žarkov: rentgen na ZVD Ljubljana (U. Zdešar) Onkološki Inštitut – Breda Jančar T. Mali, V. Cindro, M. Mikuž: Nucl. Instr. Meth. 460 (2001) D. Vrtačnik et al: Sensors and Actuators A 85 (2000) V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

18. Slike fantoma:Mikrokalcifikacije > d= 350 µm MGD = 0.4 mGy MGD = 0.2 mGy MGD = 0.1 mGy d=350 µm d=300 µm d=270 µm d=200 µm povprečna žlezna doza ≈ 0.4 mGy V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

19. SNR v odvisnosti od povprečne žlezne doze > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

20. Slika fantoma: nizkokontrastni objekti > 8mm: 0.24 mGy 6mm: 0.1 mGy 5 mm: 0.15 mGy kontrast 1.8 % kontrast 1.6 % kontrast 0.8 % V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

21. Karakterizacija sistema > Modulacijska prenosna funkcija Razširitvena funkcija črte (LSF) V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

22. > • uporaba silicijevih detektorjev obeta znižanje prejete doze za ≈ 5x pri mamografskih slikanjih • prvi proizvajalec na tržišču od leta 2002 V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

23. Comptonska kamera za določanjekrajevne porazdelitve sevalcev gama > • Princip delovanja predlagan leta 1966 za uporabo v astrofiziki Pinkau, White (opis metode s scintilatorji) • uporabljena 1973 (astrofizika, comptonski teleskop za  žarke, balonski eksperimenti) Schoenfelder et al. • v nuklearni medicini (Ge in Angerjeva kamera) Todd, Nightingale (1974) • Si predlagan kot primarni detektor 1988 • C-Sprint 1998 V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

24. Comptonska kamera > običajna gama kamera (Angerjeva kamera) Comptonska kamera V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

25. Comptonsko sipanje fotona na elektronu > vpadli foton sipani elektron Edep energija deponirana v sipalnem detektorju E energija vpadlega fotona sipani foton Izmerimo: točko comptonskega sipanja v sipalnem detektorju energijo comptonskega elektrona točko interakcije v absorpcijskem detektorju V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

26. > SPECT – Single Photon Emission Computed Tomography V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

27. Osnove delovanja: > • točka v sipalnemu detektorju + točka v absorpcijskemu detektorju  smer sipanega fotona • + sipalni kot (iz meritve deponirane energije v sipalnemu detektorju)  možne smeri vpadnega fotona (plašč stožca) • presečišča stožcev (iz več dogodkov)  položaj sevalca V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

28. Napaka rekonstrukcije > • pozicijska ločljivost sipalnega detektorja (granulacija in doseg elektronov) • pozicijska ločljivost absorpcijskega detektorja (omejuje jo granulacija detektorja) • energijska ločljivost sipalnega detektorja • geometrija (razdalje) V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

29. Ločljivost meritve energije comptonskega elektrona v siliciju: > • zaporni tok detektorja (≈ 100 e-) • šum elektronike (≈ 100 e-) Meritev energije je omejena z: napaka na merjenem kotu • Dopplerjeva razširitev – zaradi sipanja na vezanih elektronih z v  0 V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

30. Vpliv ločljivosti detektorja na napako meritve kota > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

31. Rezultati simulacije: > • Izkoristek nekaj 100x večji kot pri Angerjevi kameri • Rekonstrukcija zahteva večje število zaznanih fotonov (decoding penalty) • raste z velikostjo slikanega predmeta • pada z izboljšano energijsko ločljivostjo • pada z energijo vpadnega fotona - 99mTc, ΔE = 750 eV, ≈ 40 - 99mTc, ΔE = 0 eV, ≈ 20 - 131I, ΔE = 750 eV, ≈ 1 • pričakujemo opazno izboljšanje glede na Angerjevo kamero V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

32. Bralna elektronika: > • nizek šum • samostojno proženje • hitrost Čip VATA32C = CMOS, 32 kanalov Izdeluje IDE AS Norveška A. Studen et al. NIM A 501 (2003) V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

33. C- SPRINT (Ann Arbor) sistem > absorpcijski detektor sipalni detektor V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

34. > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

35. Dosedanji rezultati: > Rezultati skupine iz Michigana: • primerjava s simulacijo: zadovoljivo ujemanje izkoristka in dobro ujemanje prostorske ločljivosti slike 99mTc točkovnega izvora velikost slike 10x10cm2 FWHM ≈ 1.4cm C-SPRINT ANGER V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

36. > Izvor 99mTc Anger (40000 zadetkov) C-SPRINT (1500 zadetkov) V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

37. Zaključek (Comptonska kamera): > • Comptonova kamera ponuja možnost za znatne izboljšave slikanja v nuklearni medicini • izdelava konkurenčnega sistema je resen tehnološki izziv • Trenutni načrti usmerjeni v specializirano aplikacijo sonda za prostato V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

38. > Ljubljana: A. Studen, D. Žontar, M. Mikuž, V. Cindro V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

39. Proba za preiskavo prostate: > • izboljša ločljivost za 4-5 x (na 2-3 mm FWHM) • učinkovitost za 16-40 x V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija

40. Zaključek (Si detektorji): > Si detektorji so dovolj zanimivi za medicinske aplikacije Sistem za rentgensko slikanje je že na tržišču Comptonska kamera v fazi izdelave prototipa kliničnega aparata za slikanje prostate. V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija