Tecniche di Diagnostica e. Terapia Medica

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1 Fast integrated electronics The microelectronics group in Torino has gained a significant expertise in the developmet of complex mixed-signal ASIC for sensor read-out. Design of systems for precise timing measurement (100 ps or below) Tecniche di Diagnostica e Example of inspired design Terapia Medica TOFPET ASIC for Time of Flight PET readout 64 channel with low power TDC Rivelatori e Software Readout of silicon PM 50 ps time binning 200 khz rate per channel. Used in several INFN medical physics projects Ancestor chip (2010) 105 independent unit One full processing unit (analog/digital/tdc) in 300 um x 300 um. Piergiorgio Cerello INFN Sezione di Torino TOFPET ASIC on a board developed for 4DMPET cerello@to.infn.it

2 MatriXX Fase 1: Ricerca INFN-UniTo rivelatore per adroterapia microelettronica per la lettura del rivelatore Fase 2: R&D INFN-UniTo- adattamento per utilizzo in radioterapia convenzionale (fotoni, elettroni) Fase 3: Ingegnerizzazione INFN-UniTo-IBA ingegnerizzazione commercializzazione 2 brevetti, royalties da IBA a INFN-UniTo

3 Spin-off:

4 INFN e applicazioni mediche Disclaimer: MatriXX è stato precursore di molti progetti e l elenco è in evoluzione Sensori ASIC Software Simulazione Software Analisi GPU Cloud nanotech Diagnostica AX-PET 4DMPET TOFPET TESLA TRIMAGE M5L MIND M5L MIND Terapia MatriXX protonct GEMPIX INSIDE TERA08 TOFPET TPS INSIDE natt INSIDE DISO TPS natt

5 Simulazione Interazione radiazione-materia simulation of the passage of particles through matter due preziosissimi strumenti sviluppati inizialmente per la fisica delle particelle

6 Validazione su 949 CT Diagnostica WEB / Cloud + Image Processing Ricerca automatica di noduli in CT polmonari Sensibilità: 80% a 6 FP/scan, come un radiologo Validazione Clinica in avvio

7 Segmentation Multi domain VBM Coherence Diagnostica MRI design + Image Analysis Design Simulazione Elettronica Hippocampus MTL PET / MRI Amyloid imaging Machine learning Structural networks Disease fingerprint

8 Diagnostica Spin-off: Imaging in Clinical Trials Workflow Trial multicentrici Real-time auditing Equalizzazione plug & play di Scanner PET/CT Patent pending 168 CENTERS, 22 COUNTRIES 4 WHOLE COUNTRIES

9 Diagnostica - Rivelatori per Positron Emission Tomography AX-PET: rivelatore 4D assiale per PET prototipo 2 moduli 48 cristalli LYSO lunghi (6 strati x 8 cristalli) 156 WLS strips plastiche (6 strati x 26 strips) FWHM < 1.5 mm Hamamatsu MPPC 3 3 mm 2 Hamamatsu MPPC mm 2

10 Diagnostica - Rivelatori per Positron Emission Tomography 4DM-PET: rivelatore 4D per PET compatibile con MRI prototipo 8x8 canali in fase di test

11 integrated electronics Diagnostica Elettronica veloce per PET roup in Torino has gained a significant expertise in plex mixed-signal ASIC for sensor read-out. precise timing measurement (100 ps or below) Fast integrated electronics The microelectronics group in Torino has gained a significant expertise in TOFPET: the developmet ASIC of complex per mixed-signal la misura ASIC for sensor di tempo read-out. e carica Design of systems for precise timing measurement (100 ps or below) in rivelatori Example PET Time of inspired of Flight design Example of inspired design TOFPET ASIC for Time of Flight PET readout TDC 64 canali, bassa potenza TOFPET ASIC for Time of Flight PET readout 64 channel with low power TDC Readout of silicon PM 50 ps time binning 200 khz rate per channel. Used in several INFN medical physics projects 64 channel with low power TDC Readout of silicon PM 50 ps time binning 200 khz rate per channel. Used in several INFN medical physics projects Lettura di Silicon PhotoMultipliers Risoluzione temporale < 100 ps Ancestor chip (2010) 105 independent unit One full processing unit (analog/digital/tdc) in 300 um x 300 um. TOFPET ASIC on a board developed for 4DMPET log/digital/tdc) TOFPET su board sviluppata per 4DM-PET TOFPET ASIC on a board developed for 4DMPET

12 Diagnostica Rivelatori per PET/MRI EU-TRIMAGE: uno scanner trimodale (PET/MRI/EEG) per lo studio della schizofrenia Simulazione del rivelatore PET Sistema di raffreddamento Sviluppo front-end board Test di compatibilità magnetica tra i partners:

13 Terapia: piani di trattamento PlanKIT : kernel per Terapia con fasci di ioni - Collaborazione INFN/IBA - Validazione Clinica a CNAO (Pavia) - Aspetti innovativi Multi-Ione (protoni, carbonio et al.) Modelli Radiobiologici Valutazione simultanea di: dose, RBE, LET, dose effettiva, sopravvivenza cellulare, etc Simulazione veloce della dose con GPU Patent pending (SOBP cm, 10x10x10 cm^3)

14 Spin-off:

15 Terapia: monitoraggio fascio Sistemi a scansione di tipo attivo Beam Delivery System di CNAO marchio CE, quindi commerciale venduto da CNAO al centro austriaco MedAustron Nuovi sviluppi: due esempi Misura flusso ed energia del fascio con rivelatori al silicio veloci tecnologia innovativa, rivelazione singola particella collaborazione con FBK 1 brevetto depositato ASIC per lettura di camere a ionizzazione nuova versione del chip TERA, già impiegato da De.Tec.Tor, IBA accordo di collaborazione con De.Tec.Tor.

16 Ricostruzione 3D Del picco di Bragg Profilo 2D di un fascio di fotoni Terapia: monitoraggio fascio Sistemi Gas Electron Multiplier (GEM) con pixel readout GEMPIX GEMPIX in laboratorio (sx) e in un fantoccio ad acqua (dx)

17 Terapia: posizionamento Proton CT Misura della traiettoria dei singoli protoni con rivelatori al silicio Misura dell energia residua dei protoni N proiezioni: immagine 3D y z x P 1 P 2 P 3 P 4

18 Terapia: dosimetria in vivo DISO test del rapporto tra dose rilasciata all isocentro e dose programmata da TPS Confronto della dose rilasciata durante la prima frazione del trattamento e le frazioni successive R ratio for single test (5603) 89% of tests within 5% Mean R ratio for patient (281) 100% of tests within 5% ,84 0,88 0,92 0,96 1,00 1,04 1,08 1,12 1,16

19 In-beam PET Tracciatore Terapia: monitor di dose 3D INSIDE: dov e (< 1mm) il picco di Bragg? In costruzione, installazione presso CNAO nel 2015 beam beam

20 Terapia: nanotecnologie amplificazione dell effetto con nanoparticelle di oro nm GNP MC simulation s HAuCl 4 Reducing agent Au Au GN P Breast cancer case study high uptake (PTV) low uptake 6 MV - Dose distribution in-vitro data: MDA-MB-231 irradiated with 6MV

21 Fast integrated electronics The microelectronics group in Torino has gained a significant expertise in the developmet of complex mixed-signal ASIC for sensor read-out. Design of systems for precise timing measurement (100 ps or below) Ancestor chip (2010) 105 independent unit One full processing unit (analog/digital/tdc) in 300 um x 300 um. in sintesi Example of inspired design TOFPET ASIC for Time of Flight PET readout 64 channel with low power TDC Readout of silicon PM 50 ps time binning 200 khz rate per channel. molti gruppi INFN sono impegnati Used in several INFN medical physics projects in ricerche di avanguardia in molti settori relativi ad applicazioni mediche diagnostiche e terapeutiche TOFPET ASIC on a board developed for 4DMPET e sono interessati a consolidare la collaborazione con il mondo industriale