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 di
sincrotrone
Verona, AIFM 2005
Progetto MATISSE
MAmmographic 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 mm2
Verona, AIFM 2005
Mammografia e Tomografia
con Luce di Sincrotrone
Vantaggi dati dalla 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
22 keV, 0.2 mGy
in Tomografia:
Fascio monocromatico
nessun arteffatto da hardening del fascio
determinazione dei coeff. m dei tessuti
Fascio laminare
riduzione della radiazione diffusa
Divergenza Trascurabile
semplici algoritmi di ricostruzione
28 keV, 0.16 mGy
Ottimi risultati ottenuti con campioni in vitro
Verona, AIFM 2005
SYRMEP beam-line
camera ionizzazione
monocromatore
sorgente
filtri
fenditure
-Radiazione da magnete curvante
sorgente = 1100mm x140mm
-Caratteristiche monocromatore:
•diffrazione alla Bragg
su un cristallo di Si
(1,1,1)
•intevallo energia 10 ÷ 35
keV
•risoluzione energetica :
10-3
campione
rivelatore
-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
Verona, AIFM 2005
Il Setup Clinico
Sala Paziente
Sala Sperimentale
Sala Radiologo
Al II piano
Sala Controllo
ed apparati
Supporto rotante per il paziente
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 mm2 dimesioni pixel
• Efficienza 80%
• Elettronica di lettura:
→ High Speed
→ Single Photon Counting
Verona, AIFM 2005
Requisiti del rivelatore
Rivelare calcificazioni di
poche centinaia di mm
Rivelare lesioni a basso contrasto
acquisendo proiezioni con alcune
centinaia di fotoni/pixel ognuna
t
E
Elettronica di lettura:
a basso rumore
singolo conteggio
di fontone
Range d’energie 25-32 keV
QSi/QSe10
 Pixel size
 1.5 t
Rivelazione con
conversione diretta
Microstrip di silicio
in configurazione edge-on
Verona, AIFM 2005
Sensori microsrip di silicio
principio di funzionamento
electronica di read-out
conversione diretta fotoni/carica
alta efficienza grazie all’edge-on
facile rimozione della radiazione
area ‘morta’
diffusa
pp++
n
regione ‘morta’
necessaria scansione
n+
Raggi X
Verona, AIFM 2005
Rivelatore a microstrip (Si)
Pitch
100 mm
Bias Line
Dark Current < 0.1 nA/strip
Guard Ring
Efficienza:
Lunghezza
Strip
2 cm
Absorption efficiency
100
Efficiency (%)
Global efficiency
80
60
Distanza
di Taglio
Fino a
240 mm
40
20
Undepleted region attenuation
0
17
Fascio Incidente
22
27
32
X-ray energy (keV)
Verona, AIFM 2005
Elettronica di Front-End
Soglia
Dal
rivelatore
Amplificator
e e
filtro
VA64_tap
Comparatore
LS64
+1
• Single Photon
Counting
• Guadagno 100 mV/fC
• 500 e- ENC
• 75 ns Peaking Time
• 64 Canali
• Uscite Digitali
Parallele
• Read-Out con FPGA
Verona, AIFM 2005
rivelatore
VA64TAP
FPGA
LS64
Measured Rate (kHz)
Matisse:
Primo Prototipo a 64 Canali
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
1000
2000
3000
4000
Injected Rate (kHz)
• Segnali di Test iniettati
attraverso la capacita’ di
calibrazione
• Linearita’ fino a 3.5 MHz
Verona, AIFM 2005
Prime Immagini
28 keV
Fantoccio
CD
32 keV
C=
SNR =
IOUT - IIN
IOUT
IOUT - IIN
IOUT + IIN
Measured contrast (%)
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
Visibili contrasti <1%
104 ph/pixel
1
2
3
Theoretical contrast (%)
4
5
Verona, AIFM 2005
Prototipo a 384 canali:
MATSIX
Prime misure ad Elettra
Fantoccio CD
a 20 keV
• Larghezza sensibile 3.84 cm
• Candidato a divenire un
modulo per il riveltore finale
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/
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
Campo visuale 24x26 cm
Verona, AIFM 2005
Risoluzione spaziale verticale
Sensori con pixel 200x300 mm:
Tecniche di miglioramento della risoluzione
1.4 lp/mm
Acquisizione
con passo pari
alle dimensioni
del pixel (300 µm)
2 lp/mm
Acquisizione
con passo inferiore
alle dimensioni
del pixel (50 µm)
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
Verona, AIFM 2005
MTF
Sensori con pixel 200x300 mm:
1,2
MTF (theoretical) 300 µm
1
MTF (theoretical) 20 µm
MTF estimated from the
reconstructed image
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
4
8
12
16
20
24
Verona, AIFM 2005