Università degli Studi di Catania Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica
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- Miranda Sorrentino
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1 Università degli Studi di Catania Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Tesi di Laurea UN SIMULATORE IN C++ BASATO SU GEANT4 PER LO STUDIO DI SENSORI NELLA TOMOGRAFIA AD EMISSIONE DI POSITRONI Fabio Vincenzo Salamone Relatori: Prof. Michele Malgeri Dott. Paolo Finocchiaro
2 SOMMARIO Motivazione fisica Scelte informatiche Sviluppi effettuati Configurazioni Risultati Prospettive Conclusioni Schema funzionale di una PET
3 PET (Tomografia ad Emissione di di Positroni) Strumento di diagnostica oncologica Tecnica di medicina nucleare Immagini tridimensionali Mappe Mappe processi funzionali FUNZIONAMENTO DELLA DELLA PET PET Tipica PET in ambito medico Iniezione isotopo isotopo tracciante (FDG) (FDG) Decadimento isotopo isotopo ed ed emissione positrone Annichilazione positrone-elettrone Produzione coppia coppia raggi raggi gamma gamma da da 5 5 kev kev Rivelazione coppia coppia di di gamma gamma tramite tramite sensori
4 SENSORI Coppia gamma Scintillatore Lampo luminoso PMT SiPM Materiale in grado di emettere impulsi di luce se attraversato da fotoni ad alta energia (raggi gamma da 5 kev) Scintillatore Vetro Silicio Direzione gamma Configurazione logica dei sensori sviluppati in questa tesi Set di cristalli di BGO
5 SCELTE INFORMATICHE C++ GEANT4 Object Oriented Gestione ad eventi Incapsulamento Ereditarietà Polimorfismo Passaggio di particelle attraverso la materia C++ E GEANT4
6 SVILUPPO DEL SOFTWARE 2 Creazione materiali Creazione geometrie Creazione superfici Impostazione processi fisici fisici 4 Salvataggio risultati risultati Elaborazione risultati risultati 3 Gestione eventi eventi
![Length [cm] CsI (Caesium Iodide),8 50000 000 35 LSO (Lutetium Oxy-Orthosilicate),82](/docs-images/88/114955560/images/7-1.jpg "26000 40 50 BGO (Bismuth Germanate) 2,5 9000 300 400 BC408 (Plastic Scintillator),58")
7 MATERIALI SIMULATI Scintillator Refractive Index Scint. Yield [photmev] Decay time [ns] Abs. Length [cm] CsI (Caesium Iodide), LSO (Lutetium Oxy-Orthosilicate), BGO (Bismuth Germanate) 2, BC408 (Plastic Scintillator), , 330 Yield Cristalli di scintillatore Wavelength [nm] Resa di scintillazione dell LSO
8 GEOMETRIE SIMULATE A CUBO CUBO BAST. BAST. E SANDWICH CORTO (λ) (λ) CsI LSO BC408 CsI BGO LSO CsI-BC408 BGO-BC408 LSO-BC408 A BASTONCINO E SANDWICH CsI BGO LSO CsI-BC408 BGO-BC408 LSO-BC408
9 GEOMETRIA A BASTONCINO CON CsI G4double G4double Scintillator_dim_x Scintillator_dim_x 2.5*cm; 2.5*cm; G4double G4double Scintillator_dim_y Scintillator_dim_y.75*mm;.75*mm; G4double Scintillator_dim_z.75*mm; G4double Scintillator_dim_z.75*mm; G4double Scintillator_pos_x 0.*cm; G4double Scintillator_pos_x 0.*cm; G4double G4double Scintillator_pos_y Scintillator_pos_y 0.*cm; 0.*cm; G4double Scintillator_pos_z 0.*cm; G4double Scintillator_pos_z 0.*cm; G4ThreeVector G4ThreeVector Scintillator_position Scintillator_position G4ThreeVector G4ThreeVector (Scintillator_pos_x, Scintillator_pos_y, Scintillator_pos_z); (Scintillator_pos_x, Scintillator_pos_y, Scintillator_pos_z); G4Box* G4Box* Scintillator_box Scintillator_box new new G4Box("Scintillator_box", G4Box("Scintillator_box", Scintillator_dim_x, Scintillator_dim_x, Scintillator_dim_y, Scintillator_dim_y, Scintillator_dim_z); Scintillator_dim_z); Scintillator_log new G4LogicalVolume(Scintillator_box, CsI, "Scintillator_log"); Scintillator_log new G4LogicalVolume(Scintillator_box, CsI, "Scintillator_log"); Scintillator_phys Scintillator_phys new new G4PVPlacement(0, G4PVPlacement(0, Scintillator_position, Scintillator_position, Scintillator_log, Scintillator_log, "Scintillator", "Scintillator", experimentalhall_log, experimentalhall_log, false, false, 0); 0); Esempio di configurazione a bastoncino prima e dopo l esecuzione della simulazione
10 NUMERO DI FOTONI RILEVATI PER EVENTO c Counts Counts d b N. photons Numero di fotoni rivelati per evento (dati) N. photons Fit con una funzione gaussiana f ( x) b e 2 2 x c d
11 TEMPO DI ARRIVO DEL PRIMO FOTONE TEMPO DI ARRIVO DEL PRIMO FOTONE Tempo di arrivo del primo fotone Time [ps] Counts Counts Time [ps] Fit con una funzione gaussianaesponenziale τ f x d f c d c x e e b e b x f ) ( se x<f se x>f b c f d τ
12 TABELLA DEI RISULTATI TABELLA DEI RISULTATI geoeff. p p p particl e 0,076 0,408 5, 99,3 25,9 092,0 2008,9 75, 446, 5,3 448,0 0.35x0.35x.2 BGO-BC408 0,045 0,323 24,2 542,6 265,9 7, 84,8 49,4 202,4 47,4 25,6 0.35x0.35x.2 LSO-BC408 0,046 0,96 62, 350,8 25,9 773,6 385,7 6,5 450,9 35,2 469,7 0.35x0.35x2.5 CsI-BC408 0,075 0,48 3,6 8,9 245,3 222,0 233,6 30,3 558,8 4,8 604,0 0.35x0.35x.2 BGO 0,044 0,33 22,6 58,9 29,9 27,0 88,7 65,4 27,6 42,9 240,3 0.35x0.35x.2 LSO 0,043 0,202 55,4 283,5 45,2 827,2 432,5 22,8 503,4 32,7 530,0 0.35x0.35x2.5 CsI 0,089 0,6,9 33, 40,6 504,8 2764,8 244,8 808,4 5,8 886,0 BGO-BC408 0,068 0,484 9,4 284,6 498,5 94,5 293,9 95, 487,0 43,4 57,7 LSO-BC408 0,052 0,22 45,5 879,3 85,8 042,2 895,5 88,8 625,2 34,8 644,0 CsI-BC408 0,096 0,64 0,4 08,3 489,4 828,6 3278,8 378,4 962,2 4,8 935,0 BGO 0,07 0,509 8,7 262,8 544,2 208,6 3,6 05,7 503,3 40,3 539, LSO 0,054 0,232 43,9 83,0 20,5 087, 948,0 226,2 685,0 32,7 7,3 CsI 0,06 0,644 8,5 305,2 83,3 794,7 450,0 39,3 665,6 3,6 624,0 BGO 0,04 0,462 29,6 729,3 93,3,0 46,2 75,8 447,0 2,5 486,3 LSO 0,033 0,22 75,4 2252,7 33,6 532,8 896,6 69,0 600,7 2,6 580,0 CsI 0,028 0,933 37,0 333,6 502,4 73,2 79,5 66,9 433,0 04, 489,2 5x5x5 LSO 5x5x5 BC408 0,07 0,692 68,8 4004,2 40,4 322,8 457,2 88,4 64,5 9,2 692, 5x5x5 CsI 0,027 0,996 35,5 33,2 559,4 6,2 82,2 40, 429,6 48, 449,2 5x5x5 LSO 0,034,000 29,2 848,4 273,6 6,9 9,4 4,4 338,7 492,3 349,4 5x5x5 BC408 0,06 0,995 6,4 3948,4 646,9 245,2 377,9 2,5 573,7 95,0 607,2 5x5x5 CsI resol. (sigma avg.) photopeak eff. sigma avg. ampl. (tau + sigma) 2 tau sigma avg. ampl offset geometry [cm] scintillator N. PHOTONS TIME SENSOR PROPERTIES
13 INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI scintillator geometry [cm] particl e geoeff. offset ampl avg. sigma tau (tau + sigma) 2 ampl. avg. 2 sigma photopeak eff. resol. (sigma avg.) CsI-BC x0.35x ,7 35,2 450,9 6,5 385,7 773,6 25,9 350,8 62, 0,96 0,046 LSO-BC x0.35x.2 25,6 47,4 202,4 49,4 84,8 7, 265,9 542,6 24,2 0,323 0,045 BGO-BC x0.35x.2 448,0 5,3 446, 75, 2008,9 092,0 25,9 99,3 5, 0,408 0,076 (tau + sigma) 2: risoluzione temporale larghezza della distribuzione del tempo di arrivo del primo fotone efficienza di fotopicco: probabilità di interazione tramite effetto fotoelettrico il gamma rilascia tutta la sua energia dentro lo scintillatore risoluzione: minima variazione apprezzabile del numero di fotoni che possono essere rivelati indeterminazione della misura di energia p. p. e. ampl sigma n 2π res sigma avg 2
14 PROSPETTIVE Test Test protoni protoni OK OK Test Test gamma gamma OK OK Bastoncino OK OK Bastoncino corto corto OK OK SANDWICH CORTO Risultati Risultati promettenti promettenti dal dal punto punto di di vista vista temporale temporale SiPM Sandwich OK OK
15 PROSPETTIVE Campo fisico-applicativo Campo medico-oncologico Ingegneria del software Simulazione di di svariate geometrie e materiali con risparmio di di risorse umane ed ed economiche
16 FINE Grazie per la cortese attenzione! Ringraziamenti Dott. Paolo Finocchiaro Prof. Michele Malgeri I LNS-INFN per l ospitalità
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