Ciência 2007, Gulbenkien, 13 Abril 2007 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 Bom dia, Venho falar-vos do “Projecto e.... De Partículas”... Rui Moura, LIP Ciência 2007, Gulbenkien, 13 Abril 2007

Experiência CMS no LHC Depois de 15 anos a projectá-lo e construí-lo… …aprendemos a fazer coisas difíceis! Tendo estado envolvidos na construção deste detector de partículas para o CERN, aprendemos a fazer coisas difíceis e complexas...

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 O objectivo do nosso projecto e’ “Desenvolver... Mama.”, denominado ClearPEM A estratégia é “Criar um consorcio nacional para desenvolver a tecnologia” e estabelecer parcerias internacionais para a validar e difundir, como seja a colaboração CC no CERN

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. Estes são os membros do consórcio nacional: Ao LIP cabe a coordenaçao cientifica Ao INOV e INESC os sistemas electrónicos O HGO realizará os testes clínicos O IBEB a reconstrução de imagem O ibili o sw online E o Taguspark e’ o promotor responsável pela valorizaçao industrial Finaciamento ~ 40 pessoas

TagusLIP Inaugurado em Nov 04 Laboratório de instrumentação médica no TagusPark Foi criado um laboratório de instrumentação médica, o TagusLIP no taguspark, preparado para trabalhar com fontes radioactivas Área quente dedicada ao trabalho com fontes radioactivas Inaugurado em Nov 04

Tomografia por Emissão de Positrão FDG - glucose com F-18 (radiofármaco) Aniquilação do positrão: e+e-   Dois fotões de 511keV em direcções opostas Fluorine-18 Fluordeoxyglucose (FDG) Detecção de Fotões Processamento de Sinal Aquisição de Dados Reconstrução de Imagem O exame de tomografia por emissão de positrões consiste Na injecção de um radiofármaco Que se concentra nos tumores cancerígenos Emitindo 2 fotões em direcções opostas A detecção destes fotões permite Reconstruir uma imagem por computador

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 Os requisitos do projecto sao Optima resoluçao espacial de 1 a 2 mm Elevada sensibilidade para pequenos tumores e Baixo ruído de fundo nas imagens adquiridas

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 O protótipo permite examinar a mama e a axila, com rotação das placas detectoras permitida pelo manipulador robótico da figura Manipulador robótico PEM

Detector ClearPEM Duas placas detectoras 192 matrizes de cristal Superfície: 14×16 cm2 6000 cristais LYSO:Ce ( 2x2x20 mm ) Fotodíodos de Avalanche (12’000 APD’s) Electrónica baixo ruído (12’000 amplif.) Aquisição de dados com elevada largura de banda O detector em si e’ muito denso, composto por 2 placas com mais de 6000 cristais e 12000 canais de leitura. O objectivo foi mm estabelecer um novo estado da arte Elevada densidade de integração: 27 canais / cm2 Estabelecer um novo estado-da-arte Modelo do detector ClearPEM

Módulos de Detecção LYSO-APD Matriz de Cristal Controlo de Qualidade: Uniformidade de Ganho Resolução em Energia Resolução em DoI Cross-Talk Aqui vemos os módulos de detecção, construidos a partir destas matrizes de cristais e dos sensores de luz APDs Módulos do Detector

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 A electronica de leitura destes módulos detectores é complexa devido ao elevado número de linhas de sinal e linhas de saída digitais de alto debito. Aqui vemos a carta da electronica de leitura com estes chips state-of-the-art desenvolvidos para o efeito. E aqui um supermódulo. Existirão 4 por placa, portanto 8 no total.

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 O chip possui amplificadores de muito baixo ruido e integra memórias analógicas e multiplexers. O sinal de entrada tipico tem à volta de 0.03 pico Coulomb. Estas sao imagens do chip encapsulado e do silício em si. Chip encapsulado Chip

Carta de serviço do detector Panel de Conectores e Caixa Detectora Placas Detectoras Carta de serviço do detector Regulação de altas-tensões Distribuição de baixas-tensões Monitorização de temperaturas Monitorização de pressão Controlo dos ASICs Relógio e sincronização Panel de Conectores e Caixa Detectora Electromechanical safety switch Cable carrier Detector heads Adapter for source mounting Collision detection switches Water distribution block Patch Panel Desenho Mecânico Integração do detector Aqui vemos o desenho mecânico das placas de detecção que foram construidas conforme se mostra nestas figuras. As cabeças de detecção são colocadas dentro destas caixas em fibra de carbono com este painel de conectores. Dentro das caixas vai também a carta electrónica de serviços que regula as tensões e monitoriza as temperaturas, as pressões, as tensões e ainda controla os asics

Sistema de Arrefecimento do Detector Desenho do Sistema de Arrefecimento Temperatura do detector é estabilizada a 18 oC Implementação do Sistema de Arrefecimento Projectou-se também um sistema de arrefecimento para manter a temperatura do detector estável a 18ºC Tendo este sistema sido ja’ implementado, como se mostra nestas fotos

Sistema de Aquisição de Dados Processamento Desserializadores Controlo Carta DAQ Carta TRG/DCC Interface PCI 4 cartas DAQ Carta TGR/DCC Star-Fabric mezzanine Sistema DAQ final muito compacto O sistema de aquisição de dados fica alojado numa crate com dois buses dedicados implementados em suporte CompactPCI. O sistema de aquisição de dados é essencialmente composto por estas duas cartas electrónicas no estado-da-arte, que utilizam FPGAs de 4Milhoes de gates para processar a informacao proveniente do detector. O sistema de aquisição final localizar-se-a assim numa crate muito compacta fora do detector.

Servidores e Computação Gestor de Aquisição Gestor de Serviços Sistema de Teste Servidor DAQ Servidor de Serviços Altas-Tensões Os servidores e serviços ficaram neste armário, onde ficarão tb as fontes de tensão. Foi desenvolvido o software necessario para gerir e monitorizar as tensões as pressões e as temperaturas Assim como uma aplicação para lançar aquisiçoes e fazer a visualização das imagens Baixas Tensões

Implementação do manipulador robótico Armário de Controlo Robô Implementação do manipulador robótico Desenho do manipulador robótico Cofiguração para a mama Configuração para a axila O manipulador robótico foi desenhado tendo em conta a necessidade de efectuar o exame à mama com rotação e o exame à axila. Aqui vemos o manipulador ja’ numa fase avançada de construção

Imagens de Fonte com 1 mm Dados Simulação Fonte radioactiva de Na22 com 1 mm Distância de deslocação 1.4 mm Imagens sobrepostas Imagens de uma fonte deslocada Imagem reconstruída de fonte de positrões (Na22) com 1 mm de diâmetro Simulated Data Dados Simulação Foram reconstruidas imagens de uma fonte emissora de positrões com 1mm de diâmetro, tendo-se obtido resoluções espaciais da ordem de 1.2-1.3mm, perfeitamente compativeis com os 1-1.1mm que se obtêm por simulação. Aqui nesta imagem por exemplo podemos ver a excelente distinçao entre duas fontes de 1mm separadas por 1.4mm

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 Aqui vemos lesoes com diferentes fundos, Sendo que ao fim de 5min de exame as imagens ja’ permitem visualizar as lesoes em diferentes cenários Algoritmo de reconstrução 3D-OSEM adaptado à geometria de placas paralelas

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. Ler.