1 / 48

Uporaba silicijevih detektorjev v medicini Vladimir Cindro Institut Jo žef Stefan

Uporaba silicijevih detektorjev v medicini Vladimir Cindro Institut Jo žef Stefan. >. Delovanje silicijevih mikr opasovnih detektorjev Slikanje v medicini Mamografija Določanje razporeditve izotopov s Comptonsko kamero.

eithne
Download Presentation

Uporaba silicijevih detektorjev v medicini Vladimir Cindro Institut Jo žef Stefan

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Uporaba silicijevih detektorjev v medicini Vladimir Cindro Institut Jožef Stefan > Delovanje silicijevih mikropasovnih detektorjev Slikanje v medicini Mamografija Določanje razporeditve izotopov s Comptonsko kamero V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  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 • detektorji narejeni z ionsko implantacijo struktur (planarna tehnologija istega leta (J. Kemmer) v CERNu in FNALu (1980) • 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  3. > Osnovna celica mikropasovnega detektorja je p+ - i – n+ dioda V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  4. Silicijev mikropasovni detektor: > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  5. > • signal na elektrodah dobimo zaradi premikanja prostih nosilcev naboja v električnem polju • 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  6. > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  7. Povezavo med detektorjem in elektroniko naredimo z ultrazvočnim bondiranjem > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  8. Pomembne lastnosti silicija: > • energija potrebna za nastanek para elektron vrzel je ≈ 3.6 eV • energijska špranja med prevodnim in valenčnim pasom je 1.12 eV – možno delovanje na sobni temperaturi • planarna tehnologija omogoča izdelavo segmentiranih detektorjev debeline 0.2 mm < d < 1 mm • nastanek signala v 10-40 ns V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  9. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  10. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  11. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  12. Mamografska slika > Detektirati moramo: mikrokalcifikacije – velikost ≥ 100 µm nizkokontrastne tumorje V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  13. Tumorji :nizkokontrastni objekti > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  14. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  15. Absorpcijski koeficienti v Si in Ge > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  16. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  17. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  18. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  19. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  20. SNR v odvisnosti od povprečne žlezne doze > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  21. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  22. Karakterizacija sistema > Modulacijska prenosna funkcija Razširitvena funkcija črte (LSF) V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  23. > • 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  24. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  25. Comptonska kamera > običajna gama kamera (Angerjeva kamera) Comptonska kamera V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  26. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  27. Spekter elektronov v sipalnem detektorju: > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  28. Comptonska kamera > • Sipalni detektor: v njem se foton comptonsko siplje. • -velik presek za comptonsko sipanje • visoka energijska ločljivost • dobra krajevna ločljivost • Absorpcijski detektor: v njem se sipani foton absorbira. • -velik absorpcijski presek za (nekaj) 100 keV  (NaJ, BGO) • -dobra krajevna ločljivost • princip delovanja V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  29. > SPECT – Single Photon Emission Computed Tomography V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  30. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  31. > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  32. Sistem za slikanje karakteriziramo s: > • prostorsko ločljivostjo pri rekonstrukciji • občutljivostjo (izkoristkom) v področju 70 - 511 keV V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  33. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  34. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  35. Vpliv ločljivosti detektorja na napako meritve kota > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  36. Dopplerjeva razširitev v različnih snoveh: > Povzeto po: N. Clinthorne et al. V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  37. Vpliv energijske ločljivost in Dopplerja na napako meritve kota: > • 140.5 keV 99mTc • 391.7 keV 112mIn V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  38. Izkoristek – geometrija dvojnih obročev > optimalna debelina Si 16 – 20 mm Večkratno sipanje omejuje debelino sipalnega detektorja V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  39. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  40. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  41. C- SPRINT (Ann Arbor) sistem > absorpcijski detektor sipalni detektor V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  42. > V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  43. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  44. > Izvor 99mTc Anger (40000 zadetkov) C-SPRINT (1500 zadetkov) V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  45. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  46. > Ljubljana: A. Studen, D. Žontar, M. Mikuž, V. Cindro V. Cindro, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  47. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

  48. 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 Kolokvij Oddelka za fiziko FMF 19. maj 2003

More Related