Sviluppo di rivelatori per diagnosi di malattie
cardiovascolari ([email protected])
oncologiche
e
Lo studio preclinico e clinico di malattie di grande rilevanza sanitaria e sociale
(oncologiche e cardiovascolari), richiede l’uso di tecnologie avanzate derivate
dalla fisica delle alte energie. Le tecniche di imaging con radionuclidi hanno un
ruolo cruciale per le loro caratteristiche di specificita’ (rilevano le caratteriche
delle lesioni) e la elevatissima sensibilita’
Positron Emission Tomography (PET)
Per la caratterizzazione anatomico funzionale e molecolare e’ spesso necessario
pero’ integrare queste tecniche in piattaforme multimodali (SPECT-MRI e/o
PET-MRI)
Progetto costruzione e test di un rivelatore prototipo PET
TOF compatibile con MRI per la diagnosi e il follow up del
cancro della prostata
Il cancro della prostata e’ il piu’ diffuso e la seconda causa di morte per l’uomo. E’ quindi un
problema sanitario e socio-economico molto rilevante. Non esiste nulla se non il PSA. Sono
necessarie quindi tecniche atte alla diagnosi e alla caraterizzazione della malattia . E’
necessario mettere a punto un rivelatore multimodale che consenta l’imaging morfologico e
funzionale (PET-MRI). La MR puo’ inoltre essere usata in modalita’ spettroscopia con enormi
vantaggi per la diagnosi. Bisogna utilizzare quindi fotorivelatori insensibili al campo magnetico
della risonanza
La proposta: un PET probe endorettale da
accoppiare ad un rivelatore esterno dedicato o a
una PET convenzionale. Si puo’ dimostrare che
le performances del sistema sono dominate dal
rivelatore vicino alla sorgente (in questo caso la
prostata).
Bisogna costruire quindi un rivelatore con
elevata risoluzione spaziale (~ 1mm) ed alta
efficienza (quello che conta e’ il Signal to Noise
Ratio (SNR)
Standard PET
-detectors far away from prostate
-poor spatial resolution (6–12 mm)
-poor photon detection efficiency
(<1%)
-activity ouside the organ
-> poor contrast resolution
SNRTOF 
D
 SNRconv
x
SNRTOF 
D
 SNRconv
x

in non TOF case the voxels are
coupled, the statistical noise is
increased
TOF information reduces the coupling,
so the statistical noise. If the
distance between 2 voxels
>
X=cT/2 they are uncoupled
Scintillatori: devono essere veloci e
con alta resa luminosa, elevato
stopping power,e fotofrazioner (LSO
o LaBr3)
Fotorivelatori: devono avere buona
efficienza quantica, essere veloci ed
insensibili al c.m: SiPm
L’SNR della PET puo’ essere
migliorato
in
modo
decisivo
mediante l’uso della tecnica del
TOF che, tra l’altro consente di
“isolare” la prostata dal fondo
rileante della vescica. Biosgna
usare i Silicon PhotomultiPliers
come fotorivelatori (insensibilita’ al
c.m.
ottime
caratteristicge
caratteristiche di timing (<300 ps)!!
da fare
-simulazione mediante Geant4/Gate
-caratterizzazione SiPm
-misure di base su minirivelatori (diversi scintillatori diversi
SiPm etc)
-misure di timing con PMT e SiPm
-misure di compatibilita’ con scanner MRI
[email protected]
(0649902243; 3471422302)
Ultra – high resolution SPECT. Studio preclinico di malattie cardiovascolari.
Verifica della efficacia delle terapie dell’infarto mediante cellule staminali
These reports
underscore the need
for a greater
understanding of the
mechanisms underlying
stem cell biology and
cellular reparative
t h erapy, a n d t h eir
potential uses in the
post-infarction state.
Occorre disporre di un
rivelatore con
r i s o l u z i o n e
submillimetriuca ed
alta efficienza.
Per la verifica delle efficacia
degli
effetti
di
terapie
dell’infarto con cellule staminali
occorre, tra l’altro, eseguire
misure di perfusione, estrarre
parametri macroscopici quali la
LV
(frazione
di
eiezione
vnbtricolare)
e
verificare
l’eventuale
effiacia
delle
terapie mediante verifica del
recuoero delle funzionalita.
Gli effetti da rivelare
sono molto piccoli, e
bisogna farlo sui topi!
Si e’ messo a punto un rivelatore prototipo (collimatore pinhole, scintillatore
pixellato (NaI(Tl)) 1.5 mm pitch) elettronica con lettura a canali indipendenti.
Misure su fantoccio e piccoli animali (topi)
SPECT Risoluzione spaziale 300-800 m ed efficienza ~35 cps/MBq
DA FARE
- messa a punto di 2(3) rivelatori aggiuntivi,
- fine tuning della elettronica
- calibrazione del sistema
- misure su modelli di topi infartuati
- analisi di dati da tomografia
- collimatori multipinhole
- test con minirivelatori con SiPm (studiare la fattibilita di un
sistema multi modale (SPECT-MRI))
da Acton et al. Fusione di immagini di perfusione (non contemporanee) di
SPECT ed MRI su ratto. Si deve fare sul topo e contemporaneamente
misure eseguite su topo
con
diverse
vie
di
iniezione (tail vein e
peritoneo) mostrano che
si
puo’
fare
sperimentazione
con
modelli di topi infartuati
Bisogna
migliorare
risoluzione
spaziale
ed
efficienza
[email protected]
Molecular Breast Imaging (MBI). Messa a punto di un rivelatore duale per la
diagnosi del cancro della mammella
-mammografia molto sensibile ma non specifica
 biopsia (invasiva, ansiogena costosa)
-tecniche con radionuclidi specifiche
-rivelatori standard lontani dalla sorgente e bassa risoluzione
 solo tumori palpabili (troppo grandi per
la diagnosi precoce)
Sono necessari rivelatori
piu’ piccoli (quindi vicini alla
sorgente) e ad alta
risoluzione ed elevata
efficienza (bisogna “vedere”
tumori piccoli). Primo
Spatial resolution in PSM
ANGER CAMERA
From: J.A. Sorenson and m:e: Phelps ТPhysics in Nuclesr MedicineУ
Grune & Strattom
10 -15 cm
Object Πcollimator distance
OCD (cm )
passo: 1 rivelatore che
fitta l’organo, ad alta
risoluzione
Secondo passo: due
rivelatori con tecnica di
maggior compressione
locale (vicinanz
-> migliore risoluzione
sensibilita=> rivelabilita’
Spatial resolutionin SPEM
Moderate compression
3 cm
SPEM
first step
Clinical trials with single head detector
Parallel collimator + NaI(Tl) pixellated (1.5 mm pitch, the
smallest in this kind of application -> best intrinsic
resolution). Readout of all individual channels
- 10 trials , University
of Roma2 (TOV)
They have also an high resolution dedicated detector
- 2 big tumors
- 1 small tumor (< 10 mm)
- 7 “negative”, suspicious to mammography, negative (or positive in
some case) ultrasound and MRI)
Next step: further increase of the spatial resolution and efficiency (so
SNR, then detectability of small tumors) with local compression, using
pinhole collimation and LaBr3(Ce) to improve energy resolution (high
background coming from hearth) for “easier” detection of tumors close
to the chest (very difficult to detect).
Second step: the new detector dual head with
spot compression
H 8500
8 – Fotomoltiplicatori H 9500
"Italian Patent Pending No. RM2008A000541".
a
b
Confronto tra il nostro rivelatore duale, con tecnica spot compression ed un
rivelatore dedicato. a. entrambi i rivelatori “vedono” il tumore. b. solo il nostro
rivelatore “vede’ il tumore
da fare
- fine tuning della elettronica
- messa a punto di algoritmi per l’analisi delle immagini
- trials clinici (Unversita’ di Tor Vergata)
[email protected] (0649902243; 3471422302)
backup
Readout Improvements: 1) Higher
sensibility: the trigger can be
generated by the single channel whose uniformity is achieved by the
variable gain. 2) Lower channel correlation: by definition, each channel is
read independently; this improve the quality of the acquired signal and
consequently the Signal to Noise Ratio, 3) Higher flexibility: better
channel-to-channel unformity and transparent “hot channel” suppression, 4)
High processing capability: data can be processed in more detailed and
accurate way, compensating for distorsion and improving quality
parameters minimizing collateral effects on other parameters.
5) Higher speed (> 10 KHz)
Molecular Breast Imaging (MBI). Messa a punto di un rivelatore duale per la
diagnosi del cancro della mammella
X-ray
mammography,the most
sensitive method
but
- it shows lesions, not
cancers
Mechanism
-15-30% positive
predictive value
biopsy
- invsiveness
(proportional to the
risk of missing the
cancer)
- expensive
- ansiety
- false positive
(problems in successive
mammographic controls)
- false negative
(medical problem great,
delay in operation)
and
doesn’t work for
dense breast
Natural history of breast cancer
Diameter
1 mm.
7mm.
15 mm.
Preclinical phase
Clinical phase
Primary Prevention
Early Detection
Therapy