Caratterizzazione di un Sistema di Rivelazione Basato - INFN-LNS

Caratterizzazione di un Sistema di Rivelazione Basato su CCD e FOS per applicazioni in
Angiografia a Doppia Energia con Fasci Quasi-Monocromatici
G. Baldazzi1, T. Bernardi 2, D. Bollini1, M. Gambaccini3, M. Gombia1, S. Rivetti1, P. L. Rossi2,
A. Sarnelli3, A. Taibi3, A. Tuffanelli3, R. Zannoli4
1
Università di Bologna – Dip. Di Fisica, Viale Berti Pichat 6/2, 40127 Bologna.
Università di Bologna – Servizio di Fisica Sanitaria, Bologna.
3
Università di Ferrara – Dip. Di Fisica, Ferrara
4
Università di Bologna – Istituti di Cardiologia ed Ematologia, Policlinico S. Orsola, Bologna.
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Introduzione
Nell’angiografia a sottrazione di immagini convenzionale (D.S.A.) un mezzo di contrasto iodato
viene iniettato nelle arterie del paziente per mezzo di cateteri. A causa del K-edge dello iodio (33.17
keV), l’assorbimento dei raggi X cresce bruscamente in un intervallo di energie al di sopra di tale valore. Se le immagini radiologiche vengono prese prima (immagine maschera), durante e dopo l’iniezione
del mezzo di contrasto, è possibile distinguere – per sottrazione dell’immagine maschera – la morfologia dei vasi sanguigni eliminando il disturbo prodotto dal tessuto circostante ed evidenziando anche gli
stati di moto turbolento del flusso sanguignio o di assenza di irrorazione che caratterizzano alcune patologie.
Uno dei problemi associati a tale metodica è rappresentato dall’elevata dose di radiazioni e
dall’elevata concentrazione di iodio (300-370 mg/ml in funzione dell’anatomia del paziente e delle dimensioni dei vasi da visualizzare) nel mezzo di contrasto somministrati al paziente.
Da qualche tempo è allo studio un diverso approccio alla metodica, basato sull’utilizzo di due fasci
di radiazione quasi-monocromatici con energie medie rispettivamente inferiore (31.7 keV) e superiore
(35.7 keV) all’energia del K-edge dello iodio. Ciascuno dei due fasci paralleli ha le dimensioni di
120×4 mm2 (FOV) e sono prodotti per mezzo di un monocromatore di Bragg, installato su di un tubo
radiogeno convenzionale, in cui il target è costituito da un cristallo a mosaico altamente orientato di
grafite pirolitica [1] di 28×60×1 mm3.
Il rivelatore adottato è un CCD accoppiato con fibre ottiche scintillanti (F.O.S.) di CsI(Tl) prodotto
dalla Hamamatsu, con un’area sensibile di 3072×128 pixels2, dove ogni pixel ha le dimensioni di
48×48 µm2 (Fig. 1). Per tale sensore è stata sviluppata l’elettronica di front-end, condizionamento e
controllo, mentre l’acquisizione viene effettuata per mezzo di schede PCI prodotte dalla National Instruments e gestite mediante software sviluppato in linguaggio G (LabView).
Al fine di operare la scansione del fantoccio, necessaria alla formazione delle immagini, è stato
sviluppato un sistema di movimentazione sincronizzato
con il sistema radiologico e con il sistema di rivelazione;
il tutto viene gestito da un controller.
In questo lavoro verrà presentata la caratterizzazione
dei componenti di tale sistema di imaging.
Caratterizzazione del sistema Angiografico
La sorgente radiogena: caratterizzazione dei fasci X
quasi-monocromatici.
Il processo di accrescimento della grafite pirolitica con
geometria a mosaico dei cristalli consente un’alta efficienza
di emissione fotonica perché la diffrazione ha luogo anche
nei piani profondi del cristallo, i picchi sono caratterizzati da un FWHM dell’ordine di 2.5 keV (per
questo detti quasi-monocromatici). Tuttavia, le disomogeneità tridimensionali del cristallo si traducono
Fig. 1: Sistema di rivelazione montato con
in evidenza il rivelatore CCD+FOS.
in fluttuazioni dell’intensità del fascio lungo il piano longitudinale alle fenditure-collimatori (d’ora in
poi denominato, in analogia con quanto avviene nelle altre metodiche di imaging a scansione, piano
sagittale). Inoltre, per la variazione dell’angolo di Bragg legato alla dimensione trasversale delle fenditure (4 mm), ci si aspetta una variazione dell’intensità e dell’energia lungo il piano ortogonale alle fenditure (piano coronale). Per valutare l’entità di tali effetti, si è proceduto per via spettrometrica ad
un’analisi dei fasci prodotti. In figura 2 sono riportati gli spettri raccolti con rivelatore HPGe e
collimatore “slit” di 10×0.2 mm2, traslato lungo il piano coronale con un passo di 0.7 mm.
rgy S
Low Ene
lit
e
High En
rgy Slit
Variazione dell’energia del
centroide:
∆E max: 1.6 keV (entro slit)
∆E max: 5.2 keV (tra le slit)
90000
80000
70000
Variazione dell’intensità
fotonica:
50000
40000
Counts
60000
30000
20000
1
8
14
10000
21
27
Energy (keV) 34 41
0
47
54degli spettri quasi-monocromatici lungo l’asse
Fig. 2: Grafico dell’andamento
61
coronale – dalla fenditura a bassa energia verso quella ad energia più alta.
∆I max: 40 % (entro slit)
Gli spettri a bassa energia
sono circa 3 volte più intensi di quelli ad energia più
alta:
ciò
è
dovuto
all’efficienza di diffrazione
del monocromatore che varia significativamente con
l’angolo θ di Bragg
In analogia a quello che viene effettuato su macchine radiogene a spettro X policromatico, anche
nel caso della nostra sorgente si potrà valutare un rendimento che, alla luce delle considerazioni di cui
sopra, risulterà diverso a seconda che si consideri l’una o l’altra fenditura del monocromatore. Tali valori possono essere considerati i primi indicatori dosimetrici della sorgente considerata.
La riflettività intrinseca del monocromatore è stata misurata come rapporto tra l’esposizione in uscita da ogni singola fenditura e l’esposizione in entrata. I risultati sono in ottimo accordo per valori di
tensione anodica di 60 kVp e 70 kVp e correnti di 25 mA, 30 mA e 40 mA.
Queste misure sono state realizzate a contatto con le fenditure del monocromatore e sono sintetizzate nella Tab. 1. Il tubo radiogeno utilizzato non aveva alcuna filtrazione aggiuntiva.
Tab. 1: Rendimento della sorgente e riflettività del target. LEB, HEB: fasci di energia più bassa e più alta rispettivamente.
Rendimento (µGy/mAs)
Tensione Anodica = 60 kVp
Tensione Anodica = 70 kVp
LEB
HEB
LEB
HEB
1.5 ± 0.1
0.5 ± 0.1
2.0 ± 0.1
0.7 ± 0.1
Riflettività Intrinseca del
Monocromatore (%)
LEB
HEB
1.28 ± 0.07
0.44 ± 0.03
Caratterizzazione del sistema di rivelazione basato su CCD+FOS Hamamatsu.
Il sistema di rivelazione è rappresentato da due sensori CCD accoppiati a fibre ottiche scintillanti
(FOS) di CsI(Tl) accresciute in macro-cristalli. Ogni CCD consente di disporre di un’area sensibile di
1536×128 pixels2, dove ogni pixel ha le dimensioni di 48×48 µm2.
Al fine di procedere alla caratterizzazione del sistema, sono state acquisite immagini di fantocci –
tra cui mire di tipo Huttner, fantocci ad alto contrasto per la definizione della L.S.F. e fantocci Leeds a
basso contrasto – al fine di quantificare la risoluzione spaziale limite e le capacità contrastografiche del
sistema. Nelle Fig. 3-4 sottostanti si riportano alcune immagini relative a tali test.
Fig. 3: Aspetto dell’interfaccia utente del programma di acquisizione delle immagini realizzato in LabView.
Si possono vedere alcuni tipi di pattern utilizzati per la caratterizzazione del sistema di rivelazione.
100%
Utilizzando fantocci con cateteri di diverso
calibro, iniettabili con
soluzioni iodate a concentrazione nota e variabile, è stata analizzata
la capacità di visualizzazione del sistema [2].
90%
MTF
Focal Spot = 200× 200 m m²
Anode H.V. = 40 kVp
Anode I = 0.4 mA
Focal Spot-Detector
distance = 440 m m
80%
Modulation
70%
60%
50%
40%
30%
Discussione, Conclusioni e Sviluppi
20%
10%
Il principale problema che si presenta è
lp/m m
la
riduzione
dell’intensità
dei
fasci
Fig. 4: MTF misurata sul sistema di rivelazione.
che si presenta a causa
della monocromatizzazione. D’altro canto le stime della riduzione di dose al paziente e di prestazioni
dell’imaging fin qui effettuate sono incoraggianti. E’ possibile incrementare la potenza del sistema radiogeno e va considerata in particolare la possibilità di aumentare i kVp erogati filtrando le armoniche
di ordine superiore con Gd.
Attualmente sono in corso di acquisizione immagini di piccoli animali per effettuare valutazioni
delle capacità di imaging e dosimetriche in vivo da confrontare con le immagini ottenute con sistemi
tradizionali. Viene inoltre studiato un rivelatore ad array di microstrip di Si con capacità spettrometriche [3] come sistema di rivelazione.
0%
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1
2
3
4
5
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7
8
9
10
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Bibliografia
[1]
A.Tuffanelli, S.Fabbri, A. Sarnelli, A. Taibi, M. Gambaccini, Evaluation of a dichromatic X-ray source for dualenergy imaging in mammography, Nucl. Instr. & Meth A 489 (2002) 509-518.
[2] G. Baldazzi, T. Bernardi, D. Bollini, M. Gambaccini, M. Gombia, P. L. Rossi, A. Sarnelli, A. Taibi, A. Tuffanelli, G.
Pancaldi, M. Zuffa, Imaging Characterization of an Experimental Apparatus for Dual Energy Angiography, IEEE
NSS/MIC Conference Record 2002, Norfolk (VA), USA, 2002.
[3]
Giuseppe Baldazzi, Dante Bollini, Mauro Gambaccini, Mirko Gombia, Luciano Ramello, Angelo Taibi, Alessandra
Tuffanelli, A silicon strip detector coupled to the RX64 ASIC for X-ray diagnostic imaging, Proceedings of RESMDD02
Conference, Elsevier, Florence (IT), 2002, pp. 1-8.