Verona, AIFM 2005

Venanzi C., Bergamaschi A., Dreossi D., Longo R., Olivo A.,

Pani S., Castelli E.

Sviluppo di un sistema di rivelazione per tomografia

al seno con luce disincrotrone

Verona, AIFM 2005

Progetto MATISSEMAmmographic and Tomographic Imaging with

Silicon detectors and Synchrotron radiation at Elettra

* Tomografia Digitale per la diagnosi di tumori al seno* Fascio Monocromatico presso la Sorgente di Luce di

Sincrotrone Elettra a Trieste* Rivelatore a Stato Solido (Si):

◦ Geometria “Edge-On” ◦ Elettronica di Lettura Intergrata a “Single Photon

Counting”◦ Dimensioni Pixel 100x300 m2

Verona, AIFM 2005

Mammografia e Tomografia con Luce di Sincrotrone

in Mammografia:

Alta flussi su largo spettro energetico

Utilizzo fascio monocromatico

scelta dell’energia ottimale

riduzione della dose

Fascio laminare

riduzione della radiazione diffusa

necessaria scansione

Sorgente di piccole dimensioni

Vantaggi dati dalla Luce di Sincrotrone

in Tomografia:

Fascio monocromatico

nessun arteffatto da hardening del fascio

determinazione dei coeff. dei tessuti

Fascio laminare

riduzione della radiazione diffusaDivergenza Trascurabile

semplici algoritmi di ricostruzione

28 keV, 0.16 mGy

22 keV, 0.2 mGy

Ottimi risultati ottenuti con campioni in vitro

Verona, AIFM 2005

SYRMEP beam-line

campione

camera ionizzazione

sorgente

fenditure

monocromatore

filtririvelatore

-Radiazione da magnete curvante sorgente = 1100m x140m

-Caratteristiche monocromatore:

-Area del fascio nella sala sperimentale: 140x4 mm2-Divergenza : orizzontale 7 mrad

verticale 0.155 mrad FWHM-Distanza sorgente-sala sperimentale:

23 m-Flusso a 17 keV, 2GeV, 300mA:

1.6 108 ph mm-2 s-1

•diffrazione alla Bragg su un cristallo di Si (1,1,1)

•intevallo energia 10 ÷ 35 keV•risoluzione energetica : 10-3

Verona, AIFM 2005

Il Setup Clinico

Supporto rotante per il pazienteSala Radiologo

Sala Sperimentale

Sala Paziente

Al II pianoSala Controllo ed apparati

Sistema allineamento

per il rivelatore

Verona, AIFM 2005

Il Rivelatore MATISSE

• Larghezza pari a quella del fascio (20 cm )

• 2 Strati con PCB ‘back-to-back’• 100 x300 m2 dimesioni pixel

• Efficienza 80% • Elettronica di lettura:

→ High Speed → Single Photon Counting

Verona, AIFM 2005

Requisiti del rivelatore

Elettronica di lettura:a basso rumore singolo conteggio

di fontone

Rivelare calcificazioni di poche centinaia di m

Rivelazione con conversione diretta

Range d’energie 25-32 keV

Microstrip di silicio

in configurazione edge-on

Rivelare lesioni a basso contrasto acquisendo proiezioni con alcune centinaia di fotoni/pixel ognuna

QSi/QSe10

1.5 t

t

Pixel size

E

Verona, AIFM 2005

conversione diretta fotoni/caricaalta efficienza grazie all’edge-onfacile rimozione della radiazione diffusa

regione ‘morta’necessaria scansione

Sensori microsrip di silicioprincipio di funzionamento

electronica di read-out

Raggi X

area ‘morta’ p+p+

n+

n

Verona, AIFM 2005

Rivelatore a microstrip (Si)

Dark Current < 0.1 nA/strip

Efficienza:

Distanza di TaglioFino a 240 m

Guard Ring

Bias Line

Fascio Incidente

Pitch100 m

Lunghezza

Strip2 cm

0

20

40

60

80

100

17 22 27 32

X-ray energy (keV)

Efficie

ncy (

%)

Absorption effi ciency

Global effi ciency

Undepleted region attenuation

Verona, AIFM 2005

Elettronica di Front-End

• Single Photon Counting

• Guadagno 100 mV/fC• 500 e- ENC• 75 ns Peaking Time• 64 Canali• Uscite Digitali

Parallele• Read-Out con FPGA

VA64_tap LS64

Amplificatore e filtro

+1

Soglia

Dal rivelatore

Comparatore

Verona, AIFM 2005

Matisse: Primo Prototipo a 64 Canali

VA64TAP LS64

rivelatore

FPGA0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 1000 2000 3000 4000

I njected Rate (kHz)M

easu

red R

ate

(kH

z)

• Segnali di Test iniettati attraverso la capacita’ di calibrazione

• Linearita’ fino a 3.5 MHz

Perdita nel rate

Perdita di contrasto

Verona, AIFM 2005

Prime Immagini

Visibili contrasti <1%

104 ph/pixel

32 keV

28 keV

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 1 2 3 4 5Theoretical contrast (%)

Mea

sure

d co

ntra

st (

%)

C =IOUT - IIN

IOUT

SNR = IOUT - IIN

IOUT + IIN

Fantoccio CD

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Prototipo a 384 canali:MATSIX

Prime misure ad Elettra

• Larghezza sensibile 3.84 cm• Candidato a divenire un

modulo per il riveltore finale

Fantoccio CD a 20 keV Presenza di artefatti:

Problemi di stabilità e rumore da risolvere

Verona, AIFM 2005

Conclusioni• L’uso di Luce di Sincrotrone per immagini al seno e’

considerata un potente mezzo per la diagnosi precoce di tumori in casi non risolti con tecniche tradizionali

• La mammografia digitale e’ un importante campo per lo sviluppo di rivelatori

• Setup per la tomografia clinica alla beam line SYRMEP @ Elettra in fase di test

• Primi risultati ottenuti con il prototipo a 384 canali• Avvio di studio estensivo per l’ottimizzazione dei

parametri dell’elettronica di front-end

Verona, AIFM 2005

RIVELATORE SECTRA http://www.sectra.se/medical/

Campo visuale 24x26 cm

MicroDose Mammography™ Efficienza assorbimento (sensori Si in ‘edge-on’), Front-end a conteggio di fotone

Tesi dottorato M.Lundqvist

Silicon strip detectors for scanned multi-slit

X-ray imaging

Verona, AIFM 2005

Risoluzione spaziale verticale

1.4 lp/mm 2 lp/mm 3 lp/mm 4.5 lp/mm 6 lp/mm

1.4 lp/mm 2 lp/mm 3 lp/mm 4.5 lp/mm 6 lp/mm

Acquisizionecon passo parialle dimensioni

del pixel (300 µm)

Acquisizionecon passo inferiore

alle dimensionidel pixel (50 µm)

Sensori con pixel 200x300 m:Tecniche di miglioramento della risoluzione

Verona, AIFM 2005

MTF Sensori con pixel 200x300 m:

MTF (theoretical) 300 µm

MTF (theoretical) 20 µm

MTF estimated from the reconstructed image

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 4 8 12 16 20 24