Da Física de Partículas às Ciências da Saúde. Projecto ClearPEM

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1 Da Física de Partículas às Ciências da Saúde Projecto ClearPEM Projecto e construção de um sistema de Tomogragrafia por Emissão de Positrões (PET) para Mamografia partindo de tecnologias importadas da Física experimental de Partículas Rui Moura, LIP Ciência 2007, Gulbenkien, 13 Abril 2007 ClearPEM Project 1

2 Experiência CMS no LHC Depois de 15 anos a projectá-lo e construí-lo aprendemos a fazer coisas difíceis! ClearPEM Project 2

3 Projecto PET Mamografia Objectivo: Desenvolver e construir em Portugal um protótipo PET estado-da-arte dedicado à detecção do cancro da mama. ClearPEM Estratégia: Criar um Consórcio Nacional capaz de fazer o desenvolvimento Estabelecer parcerias internacionais para validar e difundir a tecnologia: Crystal Clear Collaboration no CERN ClearPEM Project 3

4 Consórcio PET Mamografia LIP (Lab. Instrumentação e Física Experimental Partículas) Coordenação Científica Simulação e Detectores de Radiação Arquitectura dos sistemas electrónicos INOV INESC Inovação e INESC id (Inst. Engª Sistemas Computadores) Desenvolvimento de Sistemas Electrónicos Circuitos Integrados (ASIC, FPGAs) HGO Hospital Garcia de Orta Especificação e Ensaios Clínicos INEGI (Inst. Engª Mecânica e Gestão Industrial) Sistemas Mecânicos e Electromecânicos IBEB (Inst. Biofísica e Engª Biomédica, Fac. Ciências Lisboa) Algorítmos e software de reconstrução de Imagem IBILI (Inst. Biomédico Investigação Luz e Imagem, Univ. Coimbra) Software online e Radioisótopos Taguspark Promotor. Valorização Industrial. ~ 40 pessoas Finaciamento ClearPEM Project 4

5 TagusLIP Laboratório de instrumentação médica no TagusPark Área quente dedicada ao trabalho com fontes radioactivas Inaugurado em Nov 04 ClearPEM Project 5

6 Tomografia por Emissão de Positrão FDG - glucose com F-18 (radiofármaco) Aniquilação do positrão: e + e - Dois fotões de 511keV em direcções opostas A Detecção de Fotões Processamento de Sinal Fluorine-18 Fluordeoxyglucose (FDG) Aquisição de Dados Reconstrução de Imagem ClearPEM Project 6

7 Requisitos ClearPEM Boa resolução espacial (1-2 mm): Capacidade de medir a profundidade de interacção para evitar erros de paralaxe Elevada sensibilidade para pequenos tumores: Baixa dose injectada Exames mais curtos Sistema de aquisição de dados de alto desempenho Baixo ruído de fundo nas imagens: Boa resolução temporal Electrónica no estado-da-arte ClearPEM Project 7

8 Sistema de Imagiologia ClearPEM Exames à mama e à axila Exames à mama com o paciente de bruços As placas rodam à volta do peito As placas posicionam-se para examinar a axila Placas detectoras PEM Manipulador robótico PEM ClearPEM Project 8

9 Detector ClearPEM Duas placas detectoras 192 matrizes de cristal Superfície: cm cristais LYSO:Ce ( 2x2x20 mm ) Fotodíodos de Avalanche ( APD s) Electrónica baixo ruído ( amplif.) Aquisição de dados com elevada largura de banda Modelo do detector ClearPEM Elevada densidade de integração: 27 canais / cm 2 Estabelecer um novo estado-da-arte ClearPEM Project 9

10 Módulos de Detecção LYSO-APD Matriz de Cristal Controlo de Qualidade: Uniformidade de Ganho Resolução em Energia Resolução em DoI Cross-Talk Módulos do Detector ClearPEM Project 10

11 Integração da Electrónica de Leitura Sistema compacto dentro das cabeças detectoras PEM: 6000 canais de sinais APD 400 linhas de alta-tensão 160 linhas de saída de alto-débito (600 MHz) Elevada frequência de relógio (100 MHz) Carta de Frontend Super-módulo Detector ClearPEM Project 11

12 ASIC de Leitura e Digitalização Electrónica de leitura do detector no estado-da-arte Amplificadores de muito baixo ruído, memórias e multiplexers Carga típica de entrada ~0.03 pico Coulomb 5.8 mm 1.6 mm Chip encapsulado Chip ClearPEM Project 12

13 Placas Detectoras Carta de Panel serviço de Conectores do detector Desenho Mecânico e Caixa Detectora Integração do detector Detector heads Patch Panel Regulação de altas-tensões Distribuição de baixas-tensões Monitorização de temperaturas Monitorização de pressão Water distribution block Controlo dos ASICs Relógio e sincronização Collision detection switches Adapter for source mounting Electromechanical safety switch Cable carrier ClearPEM Project 13

14 Sistema de Arrefecimento do Detector Desenho Implementação do do Sistema Sistema de de Arrefecimento Arrefecimento Temperatura do detector é estabilizada a 18 o C ClearPEM Project 14

15 Processamento Controlo Sistema de Aquisição de Dados Sistema DAQ final muito compacto Carta DAQ Desserializadores Carta TGR/DCC Carta TRG/DCC Interface PCI Star-Fabric mezzanine Controlo 4 cartas DAQ O sistema de aquisição de dados fica alojado Processamento numa crate com dois buses dedicados implementados em suporte CompactPCI. ClearPEM Project 15

16 Sistema de Teste Servidores e Computação Gestor de Aquisição Gestor de Serviços Servidor DAQ Servidor de Serviços Altas-Tensões Baixas Tensões ClearPEM Project 16

17 Manipulador Robótico Implementação do manipulador robótico Desenho do manipulador robótico Armário de Controlo Robô ClearPEM Project Cofiguração para a mama Configuração para a axila 17

18 Imagens de Fonte com 1 mm Imagens de uma fonte deslocada Imagem reconstruída de fonte de positrões (Na22) com 1 mm de diâmetro Fonte radioactiva de Na22 com 1 mm Distância de deslocação Dados 1.4 mm Imagens sobrepostas Simulated Data Simulação ClearPEM Project 18

19 Imagens Recontruídas de Lesões Lesão visível ao fim de 5min de aquisição Dados de simulação Lesão de 10 mm Ø Lesão de 7 mm Ø Lesão de 5 mm Ø Algoritmo de reconstrução 3D-OSEM adaptado à geometria de placas paralelas ClearPEM Project 19

20 Conclusões O protótipo de mamografia ClearPEM tem excelente desempenho já demonstrado em laboratório. Todos os desenvolvimentos tecnológicos requeridos foram completados com sucesso. O trabalho de integração está a ser concluído para dar início aos testes clínicos. ClearPEM Project 20