Uporaba silicijevih detektorjev v medicini

Uporaba silicijevih detektorjev v medicini

Slikanje v mediciniMamografija Določanje razporeditve izotopov s Comptonsko kamero

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



Silicijev mikropasovni detektor:


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)


Povezavo med detektorjem in elektroniko naredimo z ultrazvočnim bondiranjem


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)


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


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)


Mamografska slikaMamografska slika

Detektirati moramo: mikrokalcifikacije – velikost ≥ 100 µm nizkokontrastne tumorje


Tumorji :nizkokontrastni objektiTumorji :nizkokontrastni objekti


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


Absorpcijski koeficienti v Si in GeAbsorpcijski koeficienti v Si in Ge


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)


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


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)


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


SNR v odvisnosti od povprečne žlezne dozeSNR v odvisnosti od povprečne žlezne doze


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 %


Karakterizacija sistemaKarakterizacija sistema

Razširitvena funkcija črte

(LSF)

Modulacijska prenosna funkcija


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


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


Comptonska kamera Comptonska kamera

običajna gama kamera

(Angerjeva kamera)Comptonska kamera


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


SPECT – Single Photon Emission Computed Tomography


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


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)


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


Vpliv ločljivosti detektorja na napako meritve kotaVpliv ločljivosti detektorja na napako meritve kota


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


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)


sipalni

detektor

absorpcijski detektor

C- SPRINT (Ann Arbor) sistem


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


Anger (40000 zadetkov)

C-SPRINT(1500 zadetkov)

Izvor 99mTc


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


Ljubljana: A. Studen, D. Žontar, M. Mikuž, V. Cindro


Proba za preiskavo prostate:Proba za preiskavo prostate:-izboljša ločljivost za 4-5 x (na 2-3 mm FWHM)-učinkovitost za 16-40 x


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.

Uporaba silicijevih detektorjev v medicini

Documents

Transcript of Uporaba silicijevih detektorjev v medicini