Medische Toepassingen van pixel detectors
Courtesy ATLAS collaboration
Courtesy Linda B. Glaser
Jan Visser Viva Fysica, Amsterdam January 2015
“Foto’s maken” in Hoge Energie Fysica
Vertex resolutie ~ 15 µm Tweede vertex ~100’s µm
2
Subatomaire Fysica • Molecuul – C44H30N4
2 nm
• Atoom – Carbon
100 pm
• Atoomkern – Carbon
10 fm
• Proton – uud
1 fm
Biomolecuul gedraagt zich als een golf: Physicsweb, (5 september 2003)
Energie en golflengte
λ (m) E (eV) -3
radar 10 -6 licht 10 -11 röntgen 10
LHC 10
−18
−3
10 10 5 10
12
10
Large Hadron Collider Proton snelheid = 0.999999998 procent van lichtsnelheid
vliegende mug
Proton energie = 7 TeV De energie van alle protonen in een bundel is te vergelijken met de kinetische energie van een rijdende hoge snelheidstrein
Omtrek ~ A10 ring Amsterdam
Medische Beeldvormings Technieken Zichtbaar Licht 100% Reflectie
X-ray Foto 1 % Transmissie
X-ray Angiogram 1 % Transmissie
6
Digitale Camera’s • • • • •
Groo-e van chip: tot 36 x 24 mm2 Intelligen=e per pixel: 3 -‐ 7 transistoren Pixel groo-e: 5 -‐ 10 μm2 Aantal pixels: tot ~20 Miljoen Beelden per seconde: 30 – 60 fps
7
8
9
Flat panel detectors • • • • •
Detector groo-e: 43 x 43 cm2 Intelligen=e per pixel 1 transistor Pixel groo-e: 70 -‐ 200 μm2 Aantal pixels: 2000 x 3000 Beelden per seconde: 30 fps
“Well, yes, we could fix it in Photoshop, but your leg would still be broken.”
10
Medipix X-ray Foto Bekken van een muis en het omliggende weefsel -‐ Foto’s met extreem hoog contrast gemaakt met Medipix -‐ De vacht is zelfs zichtbaar
11
Medipix hybride detectoren • • • • •
Groo-e van chip: 14 x 14 mm2 Intelligen=e per pixel ~1000 transistoren Pixel groo-e 55 x 55 μm2 Aantal pixels: ~65000 Beelden per seconde: 1000 fps – 1M fps
12
X-ray CT reconstructie van pillen in een doosje
Courtesy of PANalytical
13
X-ray Computed Tomography • • • • • •
Groo-e van chip: paar cm2 Intelligen=e per pixel: stroom integreren Pixel groo-e: 1 x 1 mm2 Aantal pixels: 64k – 256k Beelden per seconde: 3-‐10 kfps Photonen per seconde: tot 109 per s mm2
X-‐ray CT Systeem
X-‐ray CT Principe
14
X-ray Computed Tomography
15
X-ray CT met meerdere energieën Bestraal met twee verschillende energieën
Detecteer X-‐rays met twee detectoren Filter
X-rays
Lage energie Detector
Meer straling
of
Hoge energie Detector
complexe oplossing
16
K-edge X-ray Beeldvorming Hart (Jodium in bloed)
Absorption cross-section
Bepaal het verschil tussen twee beelden bij twee drempelwaardes om een element naar voren te halen
T1 T2
Energy [keV]
17
Kleuren X-ray CT
Sample
Kleuren ruimte = Materiaal Decomposi=e
‘Echte’ kleuren
18
Plaatje van een sprotje door Enrico Schioppa Nikhef PhD student
Geen echte kleuren 19
Microscope mode imaging MS
20
Combineren van technieken X-ray CT met massa spectrometrie X-ray CT
DNA, eiwitten, suikers
Elementen en moleculen
MALDI
21
Gebruik van X-rays
22
Energy Depositie & Indringdiepte • X-ray behandeling – Meest voorkomend – Grotendeels effectief – Fysisch niet optimaal
• Proton therapie – In opkomst – Fysisch beter – Vereist precieze informatie over patient
23
Behandeling: fotonen vs protonen Foton bundel De dosisverdeling verloopt net als de verzwakking van de fotonbundel exponentieel en dus veel dosis buiten tumor
Proton bundel
foton
proton
Wordt afgeremd en geeft meeste energie af bij het tot stilstand komen van de protonen
Taheri-Kadkhoda et al. Radiation Oncology 2008
24
Patientenaantallen • • • •
250 1000 5000 1000
standaard indicaties (geen alternatief) betere behandeling van de tumor minder bijwerkingen minder kans op secundaire tumoren
• Ongeveer 10% van alle patienten die worden bestraald
25
Addertjes onder het gras…. • Niet alleen de dosis telt… – Normale cellen hebben ook mechanisme: vernietigen na schade – Energieoverdracht op microscopische schaal: DNA breuken of zuurstofradicalen, maar tumorcel is vaak zuurstof arm
• Wat is de grens van een tumor? – Klinische gegevens zijn allemaal van bestralingen met fotonen… – Behandelplannen op basis van X-ray absorptie; Heel ander mechanisme dan het stoppen van protonen!
26
Medische Beeldvormings Technieken Zichtbaar Licht 100% Reflectie
X-ray Foto 1 % Transmissie
Proton Transmissie 99 %
27
Van deeltjes fysica naar medische toepassingen
LHC detector
X-ray CT
28
