Construction d’une caméra TEP dédiée aux petits animaux Magalie KRIEGUER Inter-University Institute for High Energies (IIHE) Vrije Universiteit Brussel krieguer@hep.iihe.ac.be

9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003 Plan Quelques rappels sur la tomographie par émission de positons (TEP) TEP dédiée aux petits animaux Projet ClearPET Bloc détecteur Électronique d’acquisition Composants Programme Résultats Reconstruction des images 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003 Plan Quelques rappels sur la tomographie par émission de positons (TEP) TEP dédiée aux petits animaux Projet ClearPET Bloc détecteur Électronique d’acquisition Composants Programme Résultats Reconstruction des images 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003 Principe de la TEP Thermalisation du positon Annihilation: e+ e- =>  Détection des 2  émis simultanément, avec une energie de 511 keV et avec un angle de 180° Synthèse du radiotraceur Administration de la molécule au sujet (homme ou animal) Désintégration du radiotraceur et émission d’un positon Radio- traceur Détecteurs en coincidence 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

Reconstruction tomographique Sinogramme Reconstruction Intégration de l’activité le long de chaque ligne (ou tube) de réponse Projections de l’objet selon différents angles: SINOGRAMME Reconstruction de la distribution spatiale de l’activité avec des algorithmes (rétroprojection filtrée, méthode itérative …) Détecteurs en coincidence 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

Limitations physiques parcours moyen du e+ Trajet du positon dans la matière Acolinéarité des 2  émis ( 0.25°) Courte durée de vie des radio-isotopes  electron positon Isotope Demi-vie [min] 15O 2.03 11C 20.4 13N 9.96 18F 109.8 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

Limitations pratiques Sensibilité Densité du scintillateur Résolution spatiale Taille des pixels Arrangement des pixels Rendement de scintillation Rapport signal sur bruit Coïncidences fortuites Coïncidences diffusées Temps de décroissance du scintillateur 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003 Plan Quelques rappels sur la tomographie par émission de positons (TEP) TEP dédiée aux petits animaux Projet ClearPET Bloc détecteur Electronique d’acquisition Composants Programme Résultats Reconstruction des images 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

TEP dédiée aux petits animaux Utilisée pour la recherche Pharmaceutique Biomédicale Intérêts Études in-vivo Imagerie fonctionnelle Moins d’animaux étudiés Contraintes Doses de radiotraceur injecté très faibles Organes étudiés très petits => Haute sensibilité et haute résolution spatiale 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003 Plan Quelques rappels sur la tomographie par émission de positons (TEP) TEP dédiée aux petits animaux Projet ClearPET Bloc détecteur Électronique d’acquisition Composants Programme Résultats Reconstruction des images 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003 Projet ClearPET Dans le cadre de la Collaboration Crystal Clear http://crystalclear.web.cern.ch/crystalclear 5 tomographes en construction à Bruxelles, Jülich, Lyon, Lausanne et Séoul Objectifs Recherches entreprises au niveau de Tête de détection Cristal (C) + Photomultiplicateur (PMT) Électronique d’acquisition Analyse des données Résolution spatiale  2mm FWHM Sensibilité  2% (20 kcps/MBq) Résolution pour le calcul de la profondeur d’interaction  5 mm FWHM 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

Principaux développements Visualisation Acquisition des données: Lecture Corrections Stockage Analyse des données: Reconstruction des images PMT C Détection Cristaux (C) = LSO:Ce + LuAP:Ce Grande densité (> 7 g/cm³) Temps de décroissance court (< 100 ns) Grand rendement lumineux Électronique d’acquisition Rapide Faible bruit NaI BGO LSO:Ce LuAP:Ce* Densité [g/cm³] 3.67 7.13 7.4 8.34 Temps de décroissance (ns) 230 300 35-45 17 Rendement lumineux [h/MeV] 43000 8200 27000 11400 * Développement en cours à Bogoroditsk en Russie 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

Acquisition des données (DAQ) Comment contrôler l’acquisition des données ? Comment gérer les relations entre tous les systèmes de la DAQ (PC, FPGA, PXI,…) ? Comment transférer les données des têtes de détection au PC d’acquisition ? Comment et sous quel format stocker les données ? Comment transférer ces données vers le système d’analyse ? Comment obtenir les meilleures performances (vitesse et fiabilité) pour notre système d’acquisition? 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003 Composants de la DAQ 6533 DIO** PXI 8145 RT*** Embarqué sur le tambour PMT C FPGA* … Ethernet PC * FPGA = Field Programmable Gate Array ** DIO = Digital Input Output (National Instrument) *** PXI = Peripheral Component Interconnect eXtensions for Instrumentation (National Instrument) 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003 Programme de la DAQ DAQServer HAUTE PRIORITE Transfert des données des FPGA vers les cartes 6533 DIO Analyse des données: - 64bits/évènement - Taux de comptage BASSE PRIORITE Communication RT FIFO Ecriture Lecture Master Paramètres de l’acquisition Contrôle de l’acquisition DataProcessor Stockage des données en format List Mode (LMF) Visualisation TCP/IP Disque 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

Résultats préliminaires PXI 8145 RT 6533 DIO 137 Cs FPGA* Ethernet PC C PMT C = cristaux de LSO (8*8) Pas de couplage optique 7 15 23 31 39 47 55 63 6 14 22 30 38 46 54 62 5 13 21 29 37 45 53 61 4 12 20 28 36 44 52 60 3 11 19 27 35 43 51 59 2 10 18 26 34 42 50 58 1 9 17 25 33 41 49 57 8 16 24 32 40 48 56 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

Fichier de sortie (ASCII) Ecriture LMF Acquisition LMF .cch + .cch Type de géométrie Diamètre des anneaux Date et heure de début de l’acquisition Type, poids et genre de l’animal Taille et espacement axial et tangentiel pour tous les éléments du scanner Isotope utilisé Activité injectée ... 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

Fichier de sortie (BINAIRE) Ecriture LMF Acquisition LMF .cch + .cch Format List Mode ID temporel 63 bits ID spatial 16 bits Énergie et évènements multiples 8 à 21*8 bits Position du tambour (rotation) Position du lit (translation) Source externe: Position angulaire Position axiale 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

Reconstruction des images Recherche coincidences Lecture LMF Images Construction sinogrammes STIR LMF .cch + .cch STIR = Software for Tomographic Reconstruction http://stir.irsl.org 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003

9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003 Conclusion Développement d’outils informatiques dans différents langages de programmation Intégration de ces outils dans les recherches des autres groupes de la collaboration Comparaison des performances du tomographe de Bruxelles avec les résultats des simulations réalisées avec GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission) Construction ultérieure d’un tomographe dédiée à la mammographie (ClearPEM) 9ème Journées Jeunes Chercheurs - Aussois, 30/11/2003 - 5/12/2003