Medische Toepassingen van pixel detectors. Jan Visser

Transcriptie

1 Medische Toepassingen van pixel detectors Courtesy ATLAS collaboration Jan Visser Viva Fysica, Amsterdam January 2015 Courtesy Linda B. Glaser

2 Foto s maken in Hoge Energie Fysica Vertex resolutie ~ 15 µm Tweede vertex ~100 s µm 2

3 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)

4 Energie en golflengte λ (m) E (ev) radar licht röntgen LHC

5 Large Hadron Collider Proton snelheid = 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

6 Medische Beeldvormings Technieken Zichtbaar Licht 100% Reflectie X-ray Foto 1 % Transmissie X-ray Angiogram 1 % Transmissie 6

7 Digitale Camera s Groo-e van chip: tot 36 x 24 mm 2 Intelligen=e per pixel: 3-7 transistoren Pixel groo-e: 5-10 μm 2 Aantal pixels: tot ~20 Miljoen Beelden per seconde: fps 7

8 8

9 9

10 Flat panel detectors Detector groo-e: 43 x 43 cm 2 Intelligen=e per pixel 1 transistor Pixel groo-e: μm 2 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

11 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

12 Medipix hybride detectoren Groo-e van chip: 14 x 14 mm 2 Intelligen=e per pixel ~1000 transistoren Pixel groo-e 55 x 55 μm 2 Aantal pixels: ~65000 Beelden per seconde: 1000 fps 1M fps 12

13 X-ray CT reconstructie van pillen in een doosje Courtesy of PANalytical 13

14 X-ray Computed Tomography Groo-e van chip: paar cm 2 Intelligen=e per pixel: stroom integreren Pixel groo-e: 1 x 1 mm 2 Aantal pixels: 64k 256k Beelden per seconde: 3-10 kfps Photonen per seconde: tot 10 9 per s mm 2 X- ray CT Systeem X- ray CT Principe 14

15 X-ray Computed Tomography 15

16 X-ray CT met meerdere energieën Bestraal met twee verschillende energieën Detecteer X- rays met twee detectoren Filter X-rays Lage energie Detector Hoge energie Detector Meer straling of complexe oplossing 16

17 K-edge X-ray Beeldvorming Bepaal het verschil tussen twee beelden bij twee drempelwaardes om een element naar voren te halen Hart (Jodium in bloed) Absorption cross-section T1 T2 Energy [kev] 17

18 Kleuren X-ray CT Sample Kleuren ruimte = Materiaal Decomposi=e Echte kleuren 18

19 Plaatje van een sprotje door Enrico Schioppa Nikhef PhD student Geen echte kleuren 19

20 Microscope mode imaging MS 20

21 Combineren van technieken X-ray CT met massa spectrometrie X-ray CT DNA, eiwitten, suikers Elementen en moleculen MALDI 21

22 Gebruik van X-rays 22

23 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

24 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 Wordt afgeremd en geeft meeste energie af bij het tot stilstand komen van de protonen foton proton Taheri-Kadkhoda et al. Radiation Oncology

25 Patientenaantallen 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

26 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

27 Medische Beeldvormings Technieken Zichtbaar Licht 100% Reflectie X-ray Foto 1 % Transmissie Proton Transmissie 99 % 27

28 Van deeltjes fysica naar medische toepassingen LHC detector X-ray CT 28