ESPERIMENTO XDXL-PD. TAVOLA SINOTTICA PARTECIPANTI, SEZIONE DI PADOVA, GRUPPO PADOVA-LEGNARO

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1 ESPERIMENTO XDXL-PD. TAVOLA SINOTTICA PARTECIPANTI, SEZIONE DI PADOVA, GRUPPO PADOVA-LEGNARO Paolo Rossi (Coord. Loc.) Sez. di Padova 100% Gisella Gennaro - Sez. Di Padova 100% Giuliano Moschini - LNL (afferisce a PD per questo exp.) 25% Andrea Battistella - LNL (afferisce a PD per questo exp.) 10% RICHIESTE FINANZIARIE Richieste k Interno Viaggi per riunioni di collaborazione e viaggi regolari Padova-LNL per attivita al 0.5 Laboratorio di Radiofarmaci e Imaging Molecolare presso i LNL Estero Partecipazione di una persona ad una conferenza internazionale relativa ai rivelatori per medicina, come la 12th Vienna Conference on Instrumentation, sezione Applications in Biology and Medicine (feb 15-20, 2010) 1.5 Consumo Materiali vari per la costruzione di un supporto per posizionamento statico di una 1.0 Camera Compton per SPET animale Materiali radioattivi (3 generatori Tc-99* del costo di 0.5k e della durata di due 1.5 settimane ) per test su fantocci e piccoli animali Lamina di cristallo LaBr3(Ce) 50x50x5 mm3 4.0 Inventariabile Scheda adc (8 canali a 3 Ms/s) e multi-funzione NI, modello PCI TOTALE 12.0 LAVORO STRUTTURE DELLA SEZIONE DI PADOVA Ufficio Tecnico m..u Progetto di un supporto per posizionamento statico per una camera Compton per SPET 1 animale. Il supporto dovrà sostenere vari piani di rivelatori ( SDD e calorimetro) di peso e dimensioni ridotte, e dovrà permettere il posizionamento statico degli stessi a vari angoli e distanze. La dimensione lineare della struttura sarà dell ordine di 0.5 m. Officina Meccanica Realizzazione di un supporto per posizionamento statico per una camera Compton per SPET animale 2

2 ESPERIMENTO XDXL, SEZIONE DI PADOVA (GRUPPO PADOVA LEGNARO) Paolo Rossi (C.L.), Giuliano Moschini, Andrea Battistella, Michele Bello, Gisella Gennaro 1_Introduzione La collaborazione nazionale XDXL si propone di sviluppare apparati per la rivelazione di raggi X o gamma con un architettura innovativa, che sfrutta le particolarità dell effetto Compton (nel seguito Camera Compton o CC). Le Camere Compton proposte utilizzano componenti tecnologici allo stato dell arte, come rivelatori a deriva di silicio di grande superficie e cristalli scintillatori ad alta efficenza luminosa. Le applicazioni considerate sono sia in ambito astronomico, come telescopi per raggi X da montare in sartelliti artificiali, che in ambito biomedico come apparati di diagnostica. In particolare il gruppo di Padova e Legnaro, in stretta collaborazione con il gruppo di Bologna, svilupperà una Camera Compton per un applicazione bio-medica, e cioè la misura dei raggi gamma nella diagnostica SPET (Single Photon Emission Tomography). Nel " Laboratorio di Radiofarmaci e Imaging Molecolare" situato presso i LNL- INFN è attualmente funzionante un apparato SPET, basato sulla tecnologia tradizionale che fa uso di collimatori, per l indagine di piccoli animali e che permette di mappare la distribuzione di radiofarmaci iniettati in questi animali nella ricerca relativa alla diagnostica e terapia del cancro [1]. Il presente progetto prevede lo sviluppo di un prototipo di dimensioni ridotte di una Camera Compton, capace di prestazioni superiori, per indagini e finalità simili. Inoltre potremo valutare l applicazione di questa metodica alla diagnostica umana in medicina nucleare. 2_Imaging medico con la Compton Camera e Isotopi utilizzabili I vantaggi delle Compton Camere (CC), rispetto alle Anger Camere (AG) tradizionali sono: -Aumento sostanziale dell efficienza, data la collimazione elettronica senza perdita di eventi in paragone alla collimazione meccanica delle (AG). -Risoluzione sub millimetrica anche alle alte energie dove le AG sono inadeguate (richiederebbero un ulteriore ispessimento dei setti con calo enorme dell efficienza.) -Proprio perchè si possono utilizzare energie maggiori, lo scattering nel corpo dell uomo o animale e nell aria, proveniente soprattutto da sorgenti in profondità, può diventare molto minore portando ad un imaging migliore. -E ottimale per casi specifici che abbisognano di una geometria compatta e di un alta risoluzione spaziale (prostata, tiroide e naturalmente piccoli animali) Volendo privilegiare gamma emittenti ad energia maggiore del tradizionale tecnezio e che naturalmente siano adeguati ad un utilizzo medico pratico (vita media non troppo lunga per minimizzare la dose inutile somministrata al paziente, ma non troppo corta per tener conto dei tempi fisiologici di assorbimento metabolico dei farmaci. Produzione dell isotopo preferibilmente con generatori radiochimici di costo limitato e situabili presso il luogo di somministrazione), si possono proporre: I-131 (364 kev), In-113* (392 kev), Sr-85 (520 kev) per una scansione ossea, Co-58 (810 kev) per i tumori del polmone, K-43 (610 kev), per l imaging miocardico, e infine beta+ emittenti (511 kev) [2]..

3 3_Il Prototipo per Applicazioni Bio-Mediche CALORIMETER Hamamatsu H9500 multianode (256) LaBr3 Crystal (50x50x5 mm 3 ) High Sensitivity, Low Dyn. Range 8x(32 chans ASIC) scattered gamma (energy E 2 ) a d TC NI PCI 6133 Low Sensivity, High Dyn. Range 8x(32 chans ASIC) TRACKER SDD TS (70x75x0.3 mm 3 ) 256 readout anodes NI PCI 6133 d ST Incident gamma (energy E 1 ) SOURCE Test Phantom: radioactive capillaries Nel prototipo, relativo ad applicazioni SPET per piccoli animali, sono previsti due piani (paralleli e a diversa distanza dalla sorgente dei gamma) di rivelatori che il gamma, di energia E 1, attraversa in sequenza: il Tracker e il Calorimetro. Il gamma rilascia nel Tracker l energia E T, che viene misurata, e continua con direzione modificata ed energia E 2 =E 1 -E T. Il Calorimetro assorbe completamente il gamma e ne misura l energia E 2. Dalla misura di E T ed E 2 si determina l energia iniziale del gamma. L angolo a di diffusione viene determinato approssimativamente dalla nota formula dell Effetto Compton, valida rigoriosamente per un interazione del gamma con un elettrone libero e fermo e cioè: cosa 1 mc ( ) E2 E1 dove mc 2 è l energia a riposo dell elettrone (0.511 MeV) e le energie sono espresse in MeV. Poiché entambi i rivelatori misurano la posizione dell impatto e quindi la direzione del gamma diffuso, si determina alla fine il cono sul quale giace la direzione del gamma incidente: si tratta del cono di angolo a intorno alla direzione (nota) del gamma diffuso. La ricostruzione della posizione della sorgente nello spazio a partire dalla informazione dei due rivelatori per differenti viste tomografiche può avvenire mediante un algoritmo del tipo Back Projection.

4 4_Soluzioni proposte Bisogna aumentare il più possibile l efficienza della Camera per ridurre della dose al paziente e d altro canto aumentarne la risoluzione spaziale ed energetica per ottenere un imaging adeguato. Queste esigenze sono contrastanti e quindi bisogna trovare un compromesso che ottimizzi l efficacia dello strumento. I parametri da determinare nel progetto di una Camera Compton sono, per quanto riguarda la geometria generale, le distanze Sorgente-Tracker d ST e Tracker-Calorimetro d TC, oltre all angolo ottimale tra l asse del Calorimetro e quello del Tracker. Inoltre bisogna determinarne il materiale, lo spessore e la segmentazione in pixel degli stessi rivelatori. Mentre per quanto riguarda il Tracker la collaborazione ha già proposto e parzialmente messo a punto la soluzione basata su SDD (Silicon Drift Detectors) di grande area, la determinazione del materiale del Calorimetro e dei parametri geometrici globali accennati è ancora da definire completamente e su questo il nuovo gruppo di PD-LNL può dare un contributo. Queste scelte dipendono dal particolare tipo di applicazione e richiede valutazioni quantitative complesse che possono essere svolte con test su questo prototipo di dimensioni ridotte e tramite programmi di simulazione. Il gruppo di Padova-Legnaro in stretta collaborazione con il gruppo di Bologna prenderà in considerazione le applicazioni biomediche e in particolare lo sviluppo del prototipo ridotto di CC, come in disegno, per effettuare indagini SPET su piccoli animali. I segnali del calorimetro, una volta amplificati dal fotomoltiplicatore multianodo, hanno range dinamico molto maggiore rispetto a quelli provenienti dal SDD, ma non richiedono elettronica analogica di R/O a basso rumore come nel caso degli SDD. la scheda di R/O relativa al calorimetro è già in corso di sviluppo a cura della sezione di Bologna. 5_Attività di Padova-Legnaro, compresa quella in collaborazione con Bologna per l anno 2010 (in riferimento allo schema del prototipo già indicato) (1) (PD-LNL), sviluppo dell acquisizione digitale che si baserà su una scheda PCI della National Instruments comprensiva di 8 canali ADC (velocità 3 MS/s) e di modello PCI 6133, da acquistarsi a carico di questa richiesta. (2)Realizzazione di supporto meccanico per posizionamento statico di precisione delle varie parti del prototipo. (3) (BO e PD-LNL)Studio di varie soluzioni per il Calorimetro: Cristalli tradizionali di NaI(Tl) o ovvero Cristalli innovativi di LaBr3(Ce), e anche fotomoltiplicatore H8500 (64 anodi) ovvero H9500 (256 anodi). Sono possibili varie combinazioni, che ci proponiamo di confrontare. Le superiori brillantezza (~1.5 volte) e velocità del LaBr3 (Ce) (~ 6 volte), pagate da un costo mediamente superiore di 4 volte, possono non essere necessarie per la nostra applicazione: dobbiamo valutare per esempio l ampiezza del segnale e il rate complessivo che ci possiamo aspettare per i vari isotopi e le attività delle sorgenti utilizzabili. Per quanto riguarda i PM, l H8500 ha meno risoluzione, ma segnali di maggiore ampiezza. Infatti la luce di scintillazione in pratica investe molti anodi (circa metà dell area del PM) e quindi la stessa energia è suddivisa negli anodi investiti (che sono 4 volte di più nel caso del H9500). Bisogna

5 valutare se queste variazioni in ampiezza e risoluzione sono effettivamente rilevanti nel nostro caso. Possiamo provvisoriamente utilizzare fotomoltiplicatori H8500 (64 anodi) e H9500 (256 anodi) in prestito da altri esperimenti. Cristalli di NaI(Tl) e CsI(Tl) (BO) e una lamina di LaBr3(Ce) (PD) verrebbero acquistati a cura di questo esperimento. (4) (BO e PD-LNL) Test del calorimetro, relativi a misure su fantocci radioattivi (capillari), saranno effettuati nel Laboratorio di Radiofarmaci e Imaging Molecolare. (5) (PD) In paralello con lo sviluppo dei test hardware, si prevede una dettagliata attività di simulazione con la libreria CERN GEANT4, inclusiva del pacchetto GLECS (Geant Low Energy Compton Scattering) sviluppato a Los Alamos. GLECS (Kippen, New Astronomy Reviews 48 (2004) ) introduce il Doppler Broadening (Ribberfors, 1975, Phys. Rev. B12(6), 2067) nella simulazione dello Scattering Compton, per tener conto che gli elettroni con cui un fotone interagisce sono legati al nucleo e possiedono momento orbitale non nullo. GLECS fornisce risultati di grande precisione. Si simuleranno le diverse configurazioni geometriche tipiche della CC, inclusiva del Tracker e del Calorimetro (distanze sorgente, Tracker, Calorimetro) e i diversi isotopi, quali quelli suggeriti nel paragrafo 2. La simulazione in questione permetterà non solo il dimensionamento del prototipo ridotto di CC che ci apprestiamo a sviluppare, ma anche di valutare teoricamente sistemi realistici a CC per SPET animale e apparati di grandi dimensioni per SPET umana. Alla fine dell attività di questo progetto, dovremmo essere in grado di apprezzare l efficacia e il futuro di questa metodica Compton nella realizzazione di apparati diagnostici bio-medici su piccola o larga scala. (6) (PD-LNL) Studio e scelta degli algoritmi esistenti per ricostruzione 3D delle immagini Compton Tomografiche. (7) (TUTTI) (se in tempo nell anno o se concessa una estensione dell esperimento) Realizzazione del prototipo completo della CC per applicazione bio-medica, comprendente sia il Calorimetro che il Tracker. Riferimenti Bibliografici [1]G. Moschini, P. Boccaccio, M. Leveder, P. Rossi, M. Uzunov, M. Bello, D. Bollini, F.L. Navarria, G. Baldazzi, A. Perrotta, M. Zuffa, F. De Notaristefani, V. Orsolini Cencelli, R. Pani et al., The Scintirad Project, National Laboratories of Legnaro (Italy), INFN-LNL-221 (2007) [2]G. Moschini, P. Rossi, U. Mazzi, M. Bonardi, F. Groppi Garlandini, D. Bollini, D. Casara, A Cyclotron Isotope Production Center For Biomedical Research, National Laboratories of Legnaro (Italy), INFN-LNL-225(2008) pp.1-39, ISBN