MOIRA (Molecular Imaging with Radionuclides)

- 2009, terzo anno

- scopo: costruzione del prototipo di un rivelatore “ideale” per SPECT per small animal imaging (topi) per studi bio-medici di grande rilevanza sanitaria e sociale (la aterosclerosi e’ la maggior causa di morte nei pasei occidentali): rivelazione di placche aterosclerotiche vulnerabili (diagnosi) e monitoring della diffusione di cellule staminali nella terapia dell’infarto del miocardio e verifica degli effetti della (terapia). - Non esistono, in pratica altre tecniche di imaging funzionale adatte.- E’ necessaria la integrazione con altre tecniche di imaging (in particolare per le celluel staminali (MRI ed ottica) sistema “aperto”

Caratteristiche necessarie

- elevata risoluzione spaziale (submillimetrica (0.3-0.6 mm) e buona (possibilmente ottima) efficienza (complicato tradeoff)- Field Of View (FOV) “sufficiente” (~ almeno ~ 33 x 33 mm2 (consente di “vedere” la parte essenziale dell’animale dal punto di vista del cardiovascolare- sistema “aperto” (possibilita’ di integrazione con altri rivelatori (MRI, ottica)

attivita’ svolta fino a Giugno 2008- Simulazione (Geant4)

- Costruzione di prototipi di- CsI(Tl) 0.8 mm pitch + PSPMT (H9500(pixel anodico 3.0 mm) e MCP Burle (1024 canali, pixel anodico 1.6 mm)) (ottimizzazione del campionamento della luce emessa dallo scintillatore)- problemi: area morta e numero di canali

- Utilizzo di elettronica con lettura individuale di tutti i canali disposizione del gruppo da altri progetti, ma non ottimizzata

- Progetto di una nuova elettronica (schema)

- Misure su- rivelazione di placche aterosclerotiche “vulnerabili” (suscettibili di creare il caso clinico (distacco dalla parete infarto del miocardio o “stroke”)

-Collaborazone con- Johns Hopkins e Jefferson Lab (placche)- Universsta’ di Roma e Genova e 2 Dipartimenti ISS per imaging cellule staminali

- Non esistono, in pratica altre tecniche di imaging funzionale. E’ necessaria la integrazione con altre tecniche di imaging (in particolare per le celluel staminali (MRI ed ottica) necessita’ di un sistema “aperto”

50×50 mm2 CsI(Tl) 0.8 mm pitch

M = 2, FoV = 25×25 mm2

50×50 mm2 LaBr3(Ce) 4 mm thick,

3 mm thick windowM = 2,

FoV = 25×25 mm2

50×50 mm2 CsI(Na) 0.8 mm pitch

M = 2, FoV = 25×25 mm2

100×100 mm2 NaI(Tl) 1.2 mm pitch

M = 3, FoV = 33×33 mm2

Richiesta per il 2009

Confronto tra 3 possibili soluzioniCsI(Tl) e Labr3 sono possibili ma dievrsi problemi. Il CsI(Na) sembra la soluzione migliore

Le misure dopo iniezione in peritoneo mostrano un significativa diminuzione di uptake necessita’ di valutazione di efficienza con misure su topi

Risoluzione spaziale intrinseca

dipende essenzialmente dal pixel (reale o virtuale)) dello scintillatore

Volendo ricostruire l'immagine di strutture di circa 0.5 mm in un campo di vista (FoV) di circa 30 mm2 , ragionevole per vedere gli organi di un topo (regoipne interessante per cardiovascolare),e' necessario avere un elemento di dettaglio non piu' grande di 0.25 mm, la meta' dell'oggetto che si vuole ricostruire.

Cio' comporta quindi di avere un numero di pixel del rivelatore di circa 30 / 0.25 = 120.

Avere cento pixel sarebbe sufficiente a campionare con tre pixel oggetti delle dimensioni di 1 mm, sempre nello stesso campo di vista, e puo' rappresentare un compromesso tra il dettaglio e l'uniformita' del rivelatore (pixel molto piccoli o rivelatori molto grandi sono meno uniformi per ragioni costruttive e per la presenza di area.

Tutto cio' comporta la necessita' di avere un rivelatore con la stessa o migliore risoluzione spaziale, ovvero l'utilizzo di pinhole di apertura inferiore a 0.5 mm, mentre per la risoluzione intrinseca nel caso di uno scintillatore segmentato la condizione e' automaticamente soddisfatta dalla diretta correlazione tra elemento di dettaglio e risoluzione spaziale.

Alcuni risultati: simulazione

problemi di campionamento nelle zone morte

- problemi tecnologici: minori problemi di area morta, miglior risoluzione energetica ma difficolta’ di costruzione di scintillatori nelle dimensioni volute, igroscopicita’, necessta di finestra in vetroCsI(Na): miglior matching tra spettro di emissione della luce e risposta spettrale dei PSPMT E’ la soluzione?

Alcune misure “di base”

CsI(Tl) 0.8 pitch, campionamento non buono (misure preliminari su campione con difetti )

System resolution vs intrinsic resolution for different pinhole apertures

Tradeoff risoluzione spaziale/efficienza ed effetto della risoluzione intrinseca

Single pinhole(0.5 mm)

1 1 0.03

8 detectors 8 8 0.022

System response correction

2.15 17.21 0.047

6 pinhole/detector iamging geometry

6 103.25 0.279

12-pinhole geometry (optimistic)

2 206.51 0.558

Efficienza possibile con aumento del numero di rivelatori e tenica di multipinhole

Non esiste “sul mercato” un rivelatore di tali caratteritiche (FOV = ~ 33 x 33 mm2, risoluzione spaziale (~ 0.8 mm 0.3 mm) (tradeoff con efficienza). Il limite nel FOV e’ dato dalle dimensioni dei PSPMT. In prospettiva con i SiPm (possibile coregistrazione contemporanea con MRI!) si potrebbe avere un FOV 33 x 50 mm ( in pratica tutto il corpo del topo a parte coda e testa.)

Misure su fantoccio con SPECT. Scitillatore: CsI(Tl) 1.0 mm pitch, 100 x 100 mm2 messo a disposizione dal Johns Hopkins Collimatore pinhole. Ris. Spaziale 0.8 mm migliorabile a scapito della efficienza ( 0.3 mm)

Misure su topi: rivelazione di placche vulnerabili

Misure di perfusione su topi per la verifica di possibili effetti della terapia della riparazione dell’infarto con cellule staminali. Iniezione del tracciante in “tail vein”

Coronal sliceSagittal slice

Tail vein injection3.5 mCi Tc99m-MIBI,Acquisition started 1 h after injection

Peritoneum injection4.6 mCi Tc99m-MIBI,Acquisition started 3 h after injection

Trans-axial Coronal

Coronal sliceSagittal slice

Misure di perfusione su topi per la verifica di possibili effetti della terapia della riparazione dell’infarto con cellule staminali. Iniezione del tracciante in peritoneo. Non e’ possibile effettuare iniezione ripetute in vena su topi modello con infarto. Il peritoneo e’ una via alternativa. Quanto radiotracciante viene assorbito nel miocardio?Il risultato mostra la validita’ della tecnica. C’e’ pero’ una riduzione di uptake. E’ quindi necessario aumentare la efficienza del sistema (maggior numero di rivelatori)

Richieste

Missioni Italia Missini esteroSezione Missioni Italia(Keuro

Missioni Estero (K(euro)

Costr. App.(Keuro)

Roma 5 20

Genova 5 6

Genova: Costruzione controller e backplane per 1024 canali (5 + 6 Keuro)

Roma/ISS: Scintillatore Cs(Na), housing in Tungsteno, collimator in tungsteno, interfaccia interfaccia con gantry, chips (MAROC2 e costruione sk elettronica per 1024 canali (10 + 2 + 8 Keuro (valutazione approzssimata in attesa di offerte)

Totale: 31 Keuro

FTE : stessi del 2008 + 0.2 Genova (P. Ottonello, su elettronica))