Three photons imaging with a liquid xenon Compton telescope. AAP INCA Physique Cancer

Transcription

1 GDR MI2B, ARRONAX, 12/09/2014 Jean Pierre Cussonneau SUBATECH 1 Three photons imaging with a liquid xenon Compton telescope AAP INCA Physique Cancer

2 Jean Pierre Cussonneau SUBATECH 2 AAP INCA Physique Cancer - LXeGam3 - Subatech/CRCNA Objectifs : Contribuer au développement de XEMIS2 et simuler l imagerie 3γ du petit animal GATE Simulation XEMIS2 Rat Phantom Financement INCA : Thèse : Subatech (mars 2013 mars 2016) (demi bourse INCA + Ecole des Mines) Post doc : CRCNA (juin 2013 juin 2014) puis Subatech (juillet 2014 octobre 2014) Ingénieur électronicien à l interface avec le détecteur : Subatech (mars 2013 aout 2014)

3 Jean Pierre Cussonneau SUBATECH 3 Objectif du projet Développer une nouvelle modalité d imagerie nucléaire fonctionnelle pour l homme avec un nouvel émetteur 3 γ et une nouvelle technologie de caméra au xénon liquide. Δ Xenon liquide θ E 0 (E 2, x 2, y 2, z 2 ) (E 1, x 1, y 1, z 1 ) γ 511keV Collaborations : Subatech, CRCNA, CHU Nantes médecine nucléaire, ARRONAX, KEK Japon, Air Liquide Advanced Technologies, OpenGate γ 511keV

4 Jean Pierre Cussonneau SUBATECH 4 Comment améliorer l imagerie TEP? On injecte moins (2-3 MBq/kg vs 5-7 MBq/kg sans TOF) L examen est plus rapide (15-20 mns vs mns sans TOF)

5 Principe de l imagerie à 3γ Jean Pierre Cussonneau SUBATECH 5 Possible grâce à la conjonction de 2 spécificités nantaises : - production du vecteur marqué au 44 Sc (ARRONAX, CRCNA) - experts en instrumentation avec LXe (Subatech) Breveté par Subatech depuis 2009 Liquid xenon Compton Telescope Δ θ (E 2, x 2, y 2, z 2 ) (E 1, x 1, y 1, z 1 ) E 0 = 1,157 MeV γ 511keV LOR 44 Sc T 1/2 = 3.97 h Metastable T 1/2 = 58 h γ 511keV l l = f(σ E, σ x, σ y, σ z ) 44 Sc (β + : E max = 1,474 MeV, γ : E 0 = 1,157 MeV) Résolution le long de la LOR, L: TOF-PET ~ 10 cm (FWHM) 3γ ~ 1 cm (FWHM) Objectif : réduire d un facteur ~20 l activité injectée

6 XEMIS1 (Xenon Medical Imaging System) Capacité : 30 kg, installation unique en France Echangeur + PTR Cryostat + XEMIS1 Récupération Xe Purification Xe Jean Pierre Cussonneau SUBATECH 6

7 Jean Pierre Cussonneau SUBATECH 7 LXe Compton Telescope Readout electronics Idef-XHD Field rings PMT Hamamatsu R inch 12 cm Micromesh 64 pixels anode 3.5 x 3.5 mm 2 pixel

8 Jean Pierre Cussonneau SUBATECH 8 XEMIS1 Cônes Compton Δ θ LXe TPC Time Coincidence: 2 γ 511 kev BaF 2 crystals Source 22 Na (β +,γ) 17 cm

9 Compton cones - Angular resolution Jean Pierre Cussonneau SUBATECH 9 σ = 4 Equivalent to 8,2 mm (FWHM) for a 5 cm distant source E = 0.75 kv/cm Very promising Better reconstruction under progress

10 Jean Pierre Cussonneau SUBATECH 10 PMTs XEMIS2 : Mécanique Detector - LXe TPCs Outer vessel Cathode Anode FEE r z Phantom Caractéristiques principales : 200 kg LXe Température ~ -100 o C Pression < 2 bars Zone active -12 < z < 12 cm, 7 < r < 19 cm 380 PM voies électroniques Champ électrique de dérive jusqu à 3 kv/cm Subatech

11 XEMIS2 : Electronique Jean Pierre Cussonneau SUBATECH 11 Vide Xénon liquide Anode 64 pixels (3.1 x 3.1 mm 2 ) FEE Idef-XHD (32 voies) bas bruit ~100 e - Bride Anode Développement ASIC XTRACT(Xemis TPC Readout for Acquisition of Charge and Time) mesure charge et temps par pixel au dessus d un seuil réglable

12 Jean Pierre Cussonneau SUBATECH 12 XEMIS2: Simulation PMTs Phantom LXe TPC properties: Energy resolution Spatial resolution Thomas Imel Model fitted on XEMIS1 data ~0.5 mm (X, Y and Z) to be studied carrefully with simulation Cathode Anode Simulation results: Sensibility 3 photons ~5 % Precision along LOR ~ 1 cm (FWHM) Gate simulation

13 Jean Pierre Cussonneau SUBATECH 13 XEMIS2. Méthode de reconstruction actuelle x 1 ère étape : Croisement cône LOR x I Meas. 2 ème étape : Reconstruction type MLEM list mode x I x P LOR # j Itération sur N LOR et M voxels : O r C Voxel # i Meas. cone Meas. Projecteur : Meas. p 1 (r) résolution sur r supposée constante. p 2 (x p x I ) résolution sur L = x p x I estimée pour chaque croisement.

14 Jean Pierre Cussonneau SUBATECH 14 Simulation XEMIS2 Image d un fantôme uniforme Préliminaire Simulation sous GATE d un fantôme cylindrique rempli uniformément de 44 Sc ( long. 15 cm, diam. 5 cm), faible activité 20 kbq + sphère au centre avec un contraste de 4 (φ = 10 mm) Acquisition 20 minutes Iteration # 20 Image # voxels: 64x64x64, size: 64x64x128 mm 3 Image reconstruite de bonne qualité mais reconstruction très longue 1h45 / iteration (PC standard)

15 Conclusions et Perspectives Jean Pierre Cussonneau SUBATECH 15 XEMIS2 en cours de construction Développement de la cryogénie du stockage et de la récupération du LXe avec Air Liquide ALAT Développement d un ASIC spécifique XTRACT Simulation de XEMIS2 dans le cadre du projet INCA physique cancer Planning prévisionnel : 2014 : Début construction XEMIS : Construction, installation, tests XEMIS : Installation au CHU-Nantes : Tests et analyses avec l Inserm et le CHU-Nantes