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1 Aplicações à Medicina Luis Peralta (FCUL e LIP) Aplicações à Medicina

2 Radioterapia Externa Aplicações à Medicina 2

3 Um acelerador linear em fase de instalação Aplicações à Medicina 3

4 Radioterapia no IPO de Coimbra Aplicações à Medicina 4

5 Sobrevivência de células tumorais / normais Morta alidade Células tumorais Células normais Aplicações à Medicina 5

6 Simulação do acelerador Aplicações à Medicina 6

7 Feixes finos com fotões de alta energia Modelo multi-fontes para fotões Radiocirúrgia colimadores adicionais Aplicações à Medicina

8 O exemplo da radiocirurgia Aplicações à Medicina 8

9 Cálculo de dose Sistema planeamento comercial MC s/ heterogeneidades MC c/ heterogeneidades Aplicações à Medicina 9

10 Radioterapia intracavitária Irradiação ginecológica Fonte Ir-192 Aplicações à Medicina 10

11 Braquiterapia Mamária Aplicações à Medicina 11

12 Braquiterapia da Próstata Aplicações à Medicina 12

13 Simulação de fontes de iodo-125 r Aplicações à Medicina 13

14 Dosímetros para aplicações médicas/escolares Aplicações à Medicina 14

15 Caracterização em função da temperatura Sistema de aquecimento Fonte radioactiva 1,0 Hamamatsu S BR 16BR 33BR S8193 Regulador de potência Electrómetro lidade normalizada Sensibil 0,8 0,6 0,4 0,2 00 0, Temperatura (ºC ) Aplicações à Medicina Jornadas do LIP 2008

16 Simulação da Siemens E.Cam Dual Head Simulado Simulado Câmara gama Hospital do Alvor Experimental Experimental Aplicações à Medicina

17 Princípio Físico do PET positrão +electrão 2 fotões Emissão do positrão β + Aniquilação Aplicações à Medicina 17

18 ClearPEM Project The ClearPEM scanner is developed in the framework of the Crystal Clear Collaboration at CERN by the consortium PET-Mammography kev (%) Y-axi s (cm m) 4 cm off-axis 3 cm off-axis 2 cm off-axis 1 cm off-axis central slice X-axis (cm) Consortium PET-Mammography. LIP - Laboratório de Instrumentação e Partículas Hospital Garcia Orta - Serviço Medicina Nuclear IBEB - Instituto Biofisica e Engenharia Biomédica IBILI - Instituto Biomédico de Investigação da Luz e Imagem INOV- INESC Inovação INESC-ID - Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores INEGI - Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial TAGUSPARK Parque de Ciência e Tecnologia Aplicações à Medicina 18

19 Positron Emission Mammography Dedicated PET scanner for breast imaging Breast exam ClearPEM requirements: High detection sensitivity Spatial resolution (1-2 mm FWHM) Time resolution for backgr. rejection (1-2 ns) Shorter exams and/or less dose (370 MBq) Detector concept: Two planar heads Mammary gland and axilla region exams Exam with the patient in prone position Adjustable distance between heads and rotation angle Axilla exam Aplicações à Medicina 19

20 Detector Technology 20 mm long LYSO:Ce crystals Crystal matrices with BaSO 4 reflector Avalanche Photo Diodes (APD) Double readout mode Depth-of-interaction (DOI) measurement 6144 crystals 384 APD arrays 192 detector modules Aplicações à Medicina 20

21 Frontend ASIC State of the art detector frontend electronics Very low noise amplifiers, analog memories and multiplexers Typical input charge ~30 femto Coulomb Data driven synchronous architecture ASIC V3 Layout Input: Max input charge: Shaping: 192 channels 90 fc 40 ns Noise: ENC ~ 1300 e- Clock frequency : Analog memories: 100 MHz 10 samples Output multiplexing: 2 highest channels Power: 3 mw/channel 8 channels block 32 channels block ASIC V3 Full chip 192 channels PCB layout with micro-vias Largest Technology: number of input CMOS channels 0.35 in a Encapsulated Wire-bonding chip of chip onboard chip for μmapds readout Chip area: 70 mm2 Aplicações à Medicina 21

22 Frontend Electronics Integration Compact system inside the Detector Head: 6000 APD channels 400 HV lines 160 high h speed (600 MHz) output t lines High frequency clock (100 MHz) Detector Supermodule High-voltage board Fronten d Board Aplicações à Medicina 22

23 Data Acquisition System DAQ Board TRG/DCC Board CMS-like trigger and data acquisition system System is housed in a single crate with two dedicated buses TGR/DCC Board 4 x DAQ Boards Aplicações à Medicina 23

24 Detector Services Control panels DAQ Test System DAQ Server 8 cores, 2 TB disk array Service Manager 2 cores, 0.5 TB disk array Gigabit Switch High Voltage Supply Low Voltage Supply Isolator Transformer Aplicações à Medicina 24

25 Detector Head Supermodule: Detector t head : groups 24 detector modules 2 Front-End Boards 4 supermodules 1 Service Board 4 ASICs with 192 channels 2 cooling plates electronic channels Aplicações à Medicina 25

26 Assembled Detector Heads Data Acquisition Electronics (L1 hardware trigger) Detector Heads Aplicações à Medicina 26

27 ClearPEM Robotic Manipulator Power Distribution Grid Embedded CPU and RealTimeOS Robot Axis Drivers Control Rack To be installed at HGO as soon the civil work is concluded in the examination room Robot Aplicações à Medicina 27

28 ClearPEM Examination Bed PET room at HGO Three motion axis of the ClearPEM robot will be moved the examination bed Preparing installation at hospital Aplicações à Medicina 28

29 Control Workstation Operation, Monitoring, Reconstruction and Visualization Software Start an acquisition Online monitoring 4 cores, 4 GB RAM, 1 TB disk array Image visualization and analysis Aplicações à Medicina 29

30 O Detector ISPA Aplicações à Medicina 30

31 Background motivation ISPA group at CERN (Imaging Silicon Pixel Array) High-energy semiconductor particle tracking detectors Technology transfer Low-energy imaging applications Low spatial resolution (typically (yp y 3 to 8 mm) Planar Imaging SPECT PET Nuclear Medicine Compact, handheld and high resolution gamma camera system Anger gamma camera Aplicações à Medicina 31

32 Operation principle Photocathode Silicon pixel detector Collimator Electrostatic t ti shield -20 kv 0 V Crystal scintillator t Electrostatic tube Aplicações à Medicina Not to 32Scale

33 Operation principle -20 kv 0 V Aplicações à Medicina Not to 33Scale

34 Operation principle -20 kv 0 V Aplicações à Medicina 34

35 Operation principle Analog information Valid 2D hit maps 0 V Digital information Aplicações à Medicina 35

36 Operation principle Analog information 8 mm x 6.4 mm 0 V Digital information 3 holes of 1 mm separated by 2 mm Aplicações à Medicina 36

37 Technical implementations and results ISPA-tube CRYSTAL SCINTILLATOR Material YAP:Ce (Yttrium-Aluminiun Perovskite doped with Cerium) Size 31 mm diameter Thickness 2 mm Light yield 10 ph/kev Decay time 27 ns Wavelength of maximum emission 370 nm Absorption efficiency i 60 kev Al 95% reflectivity Aplicações à Medicina 37

38 Final evaluation SPECT camera 140 kev point source ISPA-tube 122 kev point source Aplicações à Medicina 38

39 Final evaluation After a normalization of both test condition setups (time-activity concentration and energy sensitivity) SPECT camera ISPA-tube counts FWHM ~4.3 43mm 5 minutes equivalent 2800 counts FWHM ~0.6 06mm Aplicações à Medicina 39

40 Agradecimentos João Varela (ClearPEM) Patrick Sousa e Conceição Abreu (ISPA) Adérito Chaves (Radiocirurgia) Aplicações à Medicina 40

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