Upload
fineen
View
101
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Uporaba silicijevih detektorjev v medicini. >. Slikanje v medicini Mamografija Določanje razporeditve izotopov s Comptonsko kamero. V. Cindro, Institut Jo žef Stefan, Ljubljana, Slovenija. Silicijevi mikropasovni detektorji. >. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Uporaba silicijevih detektorjev v medicini
Slikanje v mediciniMamografija Določanje razporeditve izotopov s Comptonsko kamero
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Silicijevi mikropasovni detektorji Silicijevi mikropasovni detektorji mmikikrropasovne detektorje uporabljamo v visokoenergiski opasovne detektorje uporabljamo v visokoenergiski
fizikifiziki za doloza določčanje sledi nabitih delcev anje sledi nabitih delcev prvi pasovno segmentirani detektorji s površinsko zaporno prvi pasovno segmentirani detektorji s površinsko zaporno
plastjo leta 1980 (E. Heijne) v CERNu plastjo leta 1980 (E. Heijne) v CERNu uporaba predojačevalcev z veliko gostoto kanalov (20uporaba predojačevalcev z veliko gostoto kanalov (20//mmmm)) sedaj uporabljeni pri praktično vseh eksperimentih sedaj uporabljeni pri praktično vseh eksperimentih velikosti do 200 mvelikosti do 200 m2 2 (eksperiment CMS v CERNu) in 10 (eksperiment CMS v CERNu) in 107 7
bralnih kanalov (ATLAS, CMS)bralnih kanalov (ATLAS, CMS)
Osnovna celica mikropasovnega detektorja je p+ - i – n+ dioda
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Silicijev mikropasovni detektor:
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
informacijo o poziciji dobimo s informacijo o poziciji dobimo s segmentacijo detektorjev v pasove segmentacijo detektorjev v pasove (presledki 25 (presledki 25 µµm ali več)m ali več)
2 (3D) informacijo dobimo, 2 (3D) informacijo dobimo, če pasove na p če pasove na p oziroma n strani naredimo pod kotom oziroma n strani naredimo pod kotom
možno oblikovanje elektrod v obliki možno oblikovanje elektrod v obliki blazinic (pixel detektorji)blazinic (pixel detektorji)
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Povezavo med detektorjem in elektroniko naredimo z ultrazvočnim bondiranjem
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Mamografija Mamografija slikanje dojk z rentgenskimi žarki za slikanje dojk z rentgenskimi žarki za
odkrivanja raka odkrivanja raka najbolj primerna metoda za presejalno najbolj primerna metoda za presejalno
(screening) slikanje (screening) slikanje redno (letno) naj bi bila izvajana pri redno (letno) naj bi bila izvajana pri
populaciji starejši od 40-50 let populaciji starejši od 40-50 let dopolnjujejo jo preostale metode dopolnjujejo jo preostale metode
(scintimamografija, PET, ultrazvok, (scintimamografija, PET, ultrazvok, NMR)NMR)
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Rezultati študije v Veliki Britaniji Rezultati študije v Veliki Britaniji (1994 -2000) (1994 -2000)
na 1000 pregledov se odkrije 4-7 obolenj na 1000 pregledov se odkrije 4-7 obolenj (starost 50 -(starost 50 - 70 let)70 let)
prejeta doza 2 mGy (4.5 mGy pri dvojnem prejeta doza 2 mGy (4.5 mGy pri dvojnem slikanju)slikanju)
faktor tveganja 13 – 7 povzročenih faktor tveganja 13 – 7 povzročenih rakastih rakastih obolenj obolenjobolenj obolenj/milijon/mGy/milijon/mGy
razmerje razmerje koristkorist//škoda je 55 – 170škoda je 55 – 170
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
UpraviUpravičenost presejalne čenost presejalne mamografijemamografije
raziskava na Švedskem (populacija raziskava na Švedskem (populacija 210000) 210000)
umrljivost zaradi raka na prsih se zmanjšala umrljivost zaradi raka na prsih se zmanjšala za 45% od tega 28% zaradi presejalne za 45% od tega 28% zaradi presejalne mamografije mamografije
American Cancer society - presejalna American Cancer society - presejalna mamografija priporočljiva po 40 letu (15. mamografija priporočljiva po 40 letu (15. maj 2003)maj 2003)
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Mamografska slikaMamografska slika
Detektirati moramo: mikrokalcifikacije – velikost ≥ 100 µm nizkokontrastne tumorje
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Tumorji :nizkokontrastni objektiTumorji :nizkokontrastni objekti
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Kaj nam ponuja slikanje s Si Kaj nam ponuja slikanje s Si detektorji:detektorji:
ločljivost mora biti boljša od 100 ločljivost mora biti boljša od 100 µµmm za detekcijo bolezni je pomembna za detekcijo bolezni je pomembna
predvsem kvaliteta slike predvsem kvaliteta slike izkoristek za detekcijo fotonov je lahko izkoristek za detekcijo fotonov je lahko
blizu 100% - zmanjšanje prejete doze blizu 100% - zmanjšanje prejete doze zajeta slika je digitalna – linearen odziv zajeta slika je digitalna – linearen odziv enostavno delo z detektorji enostavno delo z detektorji
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Absorpcijski koeficienti v Si in GeAbsorpcijski koeficienti v Si in Ge
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Simulacija mikrokalcifikacijeSimulacija mikrokalcifikacije
SNR = signal/šum = (NSNR = signal/šum = (N22-N-N11)/)/NN11
FOM = SNR/FOM = SNR/MGD MGD FOM mera koristnosti (FOM mera koristnosti (FFigure igure oof f MMerit) erit) MGD povprečna žlezna doza (MGD povprečna žlezna doza (MMean ean GGlandular landular
DDose)ose)
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Optimizacija rentgenskega spektra za detekcijo 100 Optimizacija rentgenskega spektra za detekcijo 100 µµm velike m velike mikrokalcifikacije z metodo Monte-Carlomikrokalcifikacije z metodo Monte-Carlo
Š. Stres, T. Mali, M. Mikuž, V. Cindro: Phys. Med. Biol. 45 (2000) 2029
– 2041
Monoenergetski Zvezni spekter
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Meritve z detektorjem 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
Slike fantoma:MikrokalcifikacijeSlike fantoma:Mikrokalcifikacije
d=350 µm d=300 µm d=270 µm d=200 µm
povprečna žlezna doza ≈ 0.4 mGy
d= 350 µm
MGD = 0.4 mGy MGD = 0.2 mGy MGD = 0.1 mGy
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
SNR v odvisnosti od povprečne žlezne dozeSNR v odvisnosti od povprečne žlezne doze
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Slika fantoma: nizkokontrastni Slika fantoma: nizkokontrastni objekti 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
Karakterizacija sistemaKarakterizacija sistema
Razširitvena funkcija črte
(LSF)
Modulacijska prenosna funkcija
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
uporaba silicijevih detektorjev obeta znižanje prejete doze za uporaba silicijevih detektorjev obeta znižanje prejete doze za ≈ ≈ 5x5x pri mamografskih slikanjih pri mamografskih slikanjih
prvi proizvajalec na tržišču od leta 2002 prvi proizvajalec na tržišču od leta 2002
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Comptonska kamera za določanjeComptonska kamera za določanjekrajevne porazdelitve sevalcev gamakrajevne porazdelitve sevalcev gama
Princip delovanja predlagan leta 1966 za uporabo v astrofizikiPrincip delovanja predlagan leta 1966 za uporabo v astrofiziki Pinkau, WhitePinkau, White (opis metode s scintilatorji) (opis metode s scintilatorji)
uporabljena 1973 (astrofizika, comptonski teleskop za uporabljena 1973 (astrofizika, comptonski teleskop za žarke, žarke, balonski eksperimenti) balonski eksperimenti) Schoenfelder et al. Schoenfelder et al.
v nuklearni medicini (Ge in Angerjeva kamera) v nuklearni medicini (Ge in Angerjeva kamera) Todd, NightingaleTodd, Nightingale (1974) (1974)
Si predlagan kot primarni detektor 1988Si predlagan kot primarni detektor 1988
C-Sprint 1998C-Sprint 1998
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Comptonska kamera Comptonska kamera
običajna gama kamera
(Angerjeva kamera)Comptonska kamera
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Comptonsko sipanje fotona na elektronuComptonsko sipanje fotona na elektronu
Edep energija deponirana v
sipalnem detektorju
vpadli foton sipani
elektron
sipani
foton
E energija vpadlega
fotona
Izmerimo: točko comptonskega sipanja v sipalnem detektorju energijo comptonskega elektrona točko interakcije v absorpcijskem detektorju
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
SPECT – Single Photon Emission Computed Tomography
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Osnove delovanja: Osnove delovanja:
točka v sipalnemu detektorju + točka v absorpcijskemu točka v sipalnemu detektorju + točka v absorpcijskemu detektorju detektorju smer sipanega fotona smer sipanega fotona
+ sipalni kot (iz meritve deponirane energije v sipalnemu + sipalni kot (iz meritve deponirane energije v sipalnemu detektorju) detektorju) možne smeri vpadnega fotonamožne smeri vpadnega fotona (plašč (plašč stožca)stožca)
presečišča stožcev (iz več dogodkov) presečišča stožcev (iz več dogodkov) položaj sevalca položaj sevalca
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Napaka rekonstrukcijeNapaka rekonstrukcije
pozicijska ločljivost sipalnega detektorja (granulacija in pozicijska ločljivost sipalnega detektorja (granulacija in doseg elektronov) doseg elektronov)
pozicijska ločljivost absorpcijskega detektorja (omejuje jo pozicijska ločljivost absorpcijskega detektorja (omejuje jo granulacija detektorja)granulacija detektorja)
energijska ločljivost sipalnega detektorja energijska ločljivost sipalnega detektorja
geometrija (razdalje)geometrija (razdalje)
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Ločljivost meritve energije Ločljivost meritve energije comptonskega elektrona v siliciju:comptonskega elektrona v siliciju:
zaporni tok detektorja (≈ 100 ezaporni tok detektorja (≈ 100 e--)) šum elektronike (≈ 100 ešum elektronike (≈ 100 e--))
Meritev energije je omejena z:
napaka na merjenem kotu
Dopplerjeva razširitev Dopplerjeva razširitev – – zzaraaradi sipanja na di sipanja na vezanih elektronih z v vezanih elektronih z v 0 0
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Vpliv ločljivosti detektorja na napako meritve kotaVpliv ločljivosti detektorja na napako meritve kota
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Rezultati simulacije:Rezultati simulacije: Izkoristek nekaj 100x večji kot pri Angerjevi kameriIzkoristek nekaj 100x večji kot pri Angerjevi kameri Rekonstrukcija zahteva večje število zaznanih fotonov (decoding Rekonstrukcija zahteva večje število zaznanih fotonov (decoding
penalty)penalty) raste z velikostjo slikanega predmetaraste z velikostjo slikanega predmeta pada z izboljšano energijsko ločljivostjopada z izboljšano energijsko ločljivostjo pada z energijo vpadnega fotona pada z energijo vpadnega fotona
- - 99m99mTc, Tc, ΔΔE = 750 eV, ≈ 40 E = 750 eV, ≈ 40
- - 99m99mTc, Tc, ΔΔE = 0 eV, ≈ 20 E = 0 eV, ≈ 20
- - 131131I, I, ΔΔE = 750 eV, ≈ 1E = 750 eV, ≈ 1
pričakujemo opazno izboljšanje glede na Angerjevo kamero
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Bralna elektronika:Bralna elektronika:
nizek šum nizek šum samostojno proženje samostojno proženje hitrost hitrost
Čip VATA32C = CMOS, 32 kanalovIzdeluje IDE AS Norveška
A. Studen et al. NIM A 501 (2003)
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
sipalni
detektor
absorpcijski detektor
C- SPRINT (Ann Arbor) sistem
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Dosedanji rezultati: Dosedanji rezultati:
primerjava s simulacijo: primerjava s simulacijo: zadovoljivo ujemanje zadovoljivo ujemanje izkoristka in dobro ujemanje izkoristka in dobro ujemanje prostorske ločljivosti prostorske ločljivosti
Rezultati skupine iz Michigana:
slike 99mTc točkovnega izvoravelikost slike 10x10cm2
FWHM ≈ 1.4cm
C-SPRINT ANGER
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Anger (40000 zadetkov)
C-SPRINT(1500 zadetkov)
Izvor 99mTc
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Zaključek (Comptonska kamera):Zaključek (Comptonska kamera):
Comptonova kamera ponuja možnost za znatne Comptonova kamera ponuja možnost za znatne izboljšave slikanja v nuklearni mediciniizboljšave slikanja v nuklearni medicini
izdelava konkurenčnega sistema je resen izdelava konkurenčnega sistema je resen tehnološki izzivtehnološki izziv
Trenutni načrti usmerjeni v specializirano Trenutni načrti usmerjeni v specializirano
aplikacijoaplikacijo sonda za prostatosonda za prostato
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Ljubljana: A. Studen, D. Žontar, M. Mikuž, V. Cindro
V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija
Proba za preiskavo prostate: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
Zaključek (Si detektorji):Zaključek (Si detektorji):
Si detektorji so dovolj zanimivi za medicinske Si detektorji so dovolj zanimivi za medicinske aplikacije aplikacije
Sistem za rentgensko slikanje je že na tržiščuSistem za rentgensko slikanje je že na tržišču
Comptonska kamera v fazi izdelave prototipa Comptonska kamera v fazi izdelave prototipa kliničnega aparata za slikanje prostate. kliničnega aparata za slikanje prostate.