Transcript Jean-Pierre CUSSONEAU Three photons imaging with a

Three photons imaging with a liquid
xenon Compton telescope
AAP INCA Physique Cancer 2013-2014
GDR MI2B, ARRONAX, 12/09/2014
Jean Pierre Cussonneau SUBATECH
1
AAP INCA Physique Cancer - LXeGam3
- Subatech/CRCNA
Objectifs :
Contribuer au développement de XEMIS2 et simuler l’imagerie 3γ du petit animal
XEMIS2
GATE Simulation
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)
Jean Pierre Cussonneau SUBATECH
2
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.
Collaborations :
Xenon liquide
(E2, x2, y2, z2)
(E1, x1, y1, z1)
Δ
θ
E0
γ511keV
•Subatech,
•CRCNA,
•CHU Nantes médecine nucléaire,
• ARRONAX,
•KEK Japon,
•Air Liquide Advanced Technologies,
•OpenGate
γ511keV
Jean Pierre Cussonneau SUBATECH
3
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 30-40 mns sans TOF)
Jean Pierre Cussonneau SUBATECH
4
Principe de l’imagerie à 3γ
Possible grâce à la conjonction de 2 spécificités nantaises :
- production du vecteur marqué au 44Sc (ARRONAX, CRCNA)
- experts en instrumentation avec LXe (Subatech)
Breveté par Subatech depuis 2009
Liquid xenon Compton
Telescope
44Sc
(E2, x2, y2, z2)
(E1, x1, y1, z1)
Δ
γ511keV
θ
γ511keV
E0 = 1,157 MeV
LOR
∆l
∆l = f(σE, σx, σy, σz)
44Sc
(β+: Emax = 1,474 MeV,
γ : E0 = 1,157 MeV)
•T1/2 = 3.97 h
•Metastable T1/2 = 58 h
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
Jean Pierre Cussonneau SUBATECH
5
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
LXe Compton Telescope
Readout
electronics
Idef-XHD
Field rings
PMT Hamamatsu R7600
1 inch
12 cm
Micromesh
64 pixels anode
3.5 x 3.5 mm2 pixel
Jean Pierre Cussonneau SUBATECH
7
XEMIS1 – Cônes Compton
Δ
θ
LXe TPC
Time Coincidence: 2 γ 511 keV
BaF2 crystals
Source
22Na (β+,γ)
17 cm
Jean Pierre Cussonneau SUBATECH
8
Compton cones - Angular
resolution
σ = 4°
E = 0.75 kV/cm
Equivalent to 8,2 mm
(FWHM) for a 5 cm
distant source
Very promising
Better reconstruction under progress
Jean Pierre Cussonneau SUBATECH
9
XEMIS2 : Mécanique
Outer vessel
Detector - LXe TPCs
PMTs
Cathode
Anode FEE
r
z

Phantom
Caractéristiques principales :
200 kg LXe
Température ~ -100 oC
Pression < 2 bars
Zone active -12 < z < 12 cm, 7 < r < 19 cm
380 PM
20000 voies électroniques
Champ électrique de dérive jusqu’à 3 kV/cm
Designed @ Subatech
Jean Pierre Cussonneau SUBATECH
10
XEMIS2 : Electronique
Vide
Xénon
liquide
Anode 64 pixels
(3.1 x 3.1 mm2)
 FEE Idef-XHD (32 voies) bas bruit ~100 eDéveloppement ASIC XTRACT(Xemis TPC Readout
for Acquisition of Charge and Time)
Bride Anode
→ mesure charge et temps par pixel au dessus d’un seuil
réglable
Jean Pierre Cussonneau SUBATECH
11
XEMIS2: Simulation
PMTs
LXe TPC properties:
•Energy resolution
Phantom
Thomas Imel Model fitted
on XEMIS1 data
•Spatial resolution
~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
Jean Pierre Cussonneau SUBATECH
12
XEMIS2
.
Méthode de reconstruction actuelle
x
1ère
étape : Croisement cône – LOR
xI
Meas.
LOR # j
2ème étape : Reconstruction type
MLEM list mode
xI
xP
r
Itération sur N LOR et M voxels :
C
Voxel # i
O
Meas.
cone
Meas.
Projecteur :
Meas.
 p1(r)
résolution sur r supposée constante.
 p2(xp – xI)
résolution sur ∆L = xp – xI estimée pour chaque croisement.
Jean Pierre Cussonneau SUBATECH
13
Simulation XEMIS2
Image d’un fantôme uniforme – Préliminaire
Simulation sous GATE d’un fantôme cylindrique rempli uniformément de 44Sc
( 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 mm3
Image reconstruite de bonne qualité mais reconstruction très longue 1h45 / iteration
(PC standard)
Jean Pierre Cussonneau SUBATECH
14
Conclusions et Perspectives
•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 XEMIS2
2015 : Construction, installation, tests XEMIS2
2015-2016 : Installation au CHU-Nantes
2015-2018 : Tests et analyses avec l’Inserm et le CHU-Nantes
Jean Pierre Cussonneau SUBATECH
15