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Mara Bruzzi, Mirko Brianzi, Marta Bucciolini , Carlo Civinini, Stefania Pallotta, Monica Scaringella, Cinzia Talamonti, Mauro Tesi, Margherita Zani

5 Aprile 2011, Status report PRIMA INFN – CSN5 Mara Bruzzi

Monica Scaringella, Cinzia Talamonti, Mauro Tesi, Margherita ZaniINFN Firenze

Nunzio Randazzo, Valeria Sipala, Domenico Lo PrestiINFN Catania

Giacomo Cuttone, G.A.P. Cirrone, Concetta StancampianoINFN – LNS Catania

� Introduzione

� Apparato dell’esperimento PRIMA

Primi risultati con protoni da 60MeV

Sommario


� Primi risultati con protoni da 60MeV

� Attività 2011: Test beam e sviluppo

� Upgrade del sistema

La protonterapia

� Vantaggi

� Range finito nei tessuti (salvaguardia dei tessuti critici sani)

� Modalità conformazionale intrinsecamente 3-D

La protonterapia è un buon trattamento clinico per la cura dei

tumori perché permette di ottenere una distribuzione di dose

estremamente conforme al volume bersaglio


intrinsecamente 3-D

� Massimo rilascio di dose alla fine dell’intervallo percorso (effetto del picco di Bragg)

� Incertezze :

� Incertezza nel calcolo del rangedovuto all’uso dei raggi X per i piani di trattamento

� Variabilità del setup del paziente

proton Computed Tomography:

MotivazioniPosizionamento del paziente:

Attualmente viene effettuato usando radiografie e tomografie a raggi X inuna fase precedente al trattamento:

pCT Migliore accuratezza

Posizionamento e trattamento nella stessa fase


Posizionamento e trattamento nella stessa fase

Calcolo della dose:

Attualmente viene effettuato usando tomografie a raggi X

Problema: protoni e fotoni hanno una diversa

interazione con la materia

pCT Misura diretta dello stopping power dei protoni

inEdE

Krdr

Densità elettronica

La ricostruzione mediante pCT della densità elettronica relativa η(r) si attua attraverso la conoscenza delle energie di entrata Ein ed uscita Eout

del protone per la determinazione dell’integrale :


outEL

eES

KrdrStopping power

�Ricostruzione del cammino più probabile della particella (MLP)

A differenza del caso dei raggi X, dove il cammino è rettilineo, per ilprotone L non è noto a causa dello Scattering Multiplo Coulombiano edeve perciò essere stimato.

Principio di ricostruzione del cammino più probabile

L’’’’ L’’’’’’’’L


� A: Noti solo posizione e direzione di ingresso: linea retta L

� B: Noti posizione e direzione di ingresso e posizione di uscita: linearetta L’

� C: Noti posizione e direzione di ingresso e di uscita: curva L’’, curvaa “banana”

B CA

Proton imaging: i diversi approcciPaul Scherrer Institut (Villigen, CH) 1999

� Due odoscopi di fibre scintillanti (per misurare le coordinate di ingresso e di uscita)

� Una pila di scintillatori (per misurare il rangeresiduo dei protoni)

Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) Pavia - 2010 − Coppia di rivelatori di posizione -Gas Electron Multipliers -GEM (per rivelare posizione e direzione dei protoni che escono dal volume)

− Una pila di scintillatori ( per misurare range residuo dei protoni)

Proton Range Radiography


Paul Scherrer Institut (Villigen, CH) 2010− Una camera ad emulsione (Emulsion Cloud Chamber -ECC) formata da emulsioni nucleari doppia faccia intervallati da fette di tessuto equivalente posizionate dopo l’oggetto di cui si vuole acquisire l’immagine.

Santa Cruz Institute for Particle Physics and Loma University Medical Center (USA) 2003� Tracciatore (per misurare coordinate e angolo di ingresso e di uscita e l’energia persa mediante Time Over Threshold)

Obiettivi

� Realizzare un prototipo di radiografo con protoni� Sviluppo di opportuni algoritmi di ricostruzione dell’immagine:

� Analisi dati

Il progetto “PRoton IMAging”

sviluppo di un apparato di pCR orientato alla pCT


Cfr V. Sipala et al. Nuovo Cimento D (2011)

V. Sipala et al., Nucl. Instr. and Meth. A 612 (2010) 566–570

V. Sipala et al. Nuclear Physics B, Vol. 197, Issue 1(2009) 39-42

C. Talamonti et al., Nucl. Instr. and Meth. A. 612 (2010) 571

C. Civinini et al., Nucl. Instr. and Meth. A 623 (2010) Pages 588-590

G.A.P. Cirrone et al., NIM A, vol. 576, no. 1, 11 June 2007, pp. 194-197.

� Analisi dati� Simulazioni MonteCarlo

� Validare il sistema di pCR con studi preclinici� Realizzare un configurazione per un sistema pCT:

� Hardware e sistema di acquisizione� Algoritmi di ricostruzione (ART, SART...)

Parametri tipici del sistema pCT

ottimizzato


Calorimeter

Silicon Telescope

Silicon Telescope

� Rivelare la traccia del singolo protoneusando un tracciatore al silicio

� Misurare l’energia residua del protoneusando un calorimetro

� Determinare il percorso più probabilecompiuto dalla particella

proton Computed Radiography


compiuto dalla particella

� Ricostruire l’immagine

� Acquisire diverse proiezioni utilizzandoil sistema pCR e una gantry rotante

� Ricostruire l’immagine

proton Computed Tomography

Schema dell’apparato di proton Computed Radiography

realizzato dall’esperimento INFN CSN5 PRIMA


4 x-y TRACKER MODULES

1 CALORIMETRO

Posizione e direzione

di ingresso e di uscita

Energia residua

Architettura dell’apparato di pCR


Architettura del tracker module


• Per ottenere un rate di acquisizione fino a 1MHz è stato sviluppato un sistemadi lettura delle strip parallelo

• Otto chip VLSI di front-end ciascuno con 32 canali acquisisce i segnali dallestrip del rivelatore e invia i dati digitali di uscita in parallelo a una FPGA (XlinxSpartan-3AN) la quale effettua una soppressione degli zeri e trasferisce i dati inuna memoria (capacità ~5x105 events).

• Uno modulo Ethernet commerciale è usato per trasferire i dati a un PC e percontrollare i parametri del tracker module.

Silicon strip detectorManufactured by Hamamatsu Photonics

53x53 mm2

p+-on-n strips

256 ch, 200 µµµµm pitch

200 µµµµm thickness


(giusto compromesso per ridurre lo scattering multiplo nel rivelatoremantendo una buona sensibiltà al passaggio dei protoni)

Front-end VLSI Test effettuati ai LNS con protoni da 60MeV

Full efficiency and signal duration less than 800ns obtained in the 30-250MeV range: important to achieve a particle rate of 1MHz.


• AMS 0.35u CMOS Technology

• 1.6 mm x 6 mm

• 32 channels

• Power dissipation = 14,5 mW @ chan

• Vcc = +3.3 V ASICs digital output duration related to the charge releasedin silicon. It can be used to improve calorimeter reading.

30-250MeV range: important to achieve a particle rate of 1MHz.

Calorimetro

YAG:Ce propertiesYAG:Ce properties

• 4 cristalli scintillanti di YAG:Ce

Ogni crystal 30 x 30 mm2 x 100mm

• 4 Fotodiodi 18 mm x 18 mm

• 4 canali di lettura ibridi commerciali(Charge Sensitive Amplifier & shaper )


PHYSICAL PROPERTIES

Density [g/cm3] 4.57

Hygroscopic No

Chemical formula Y3Al5O12

LUMINESCENCE PROPERTIES

Wavelength of max. emission [nm] 550

Decay constant [ns] 70

Photon yield at 300k [103 Ph/MeV] 40-50

Charge spectrum @100MeV

Uscite del formatore campionate dalla scheda UF2-4032

Test con protoni da 60MeV

3

0

1

2

3

CH

3 (

V)

0

1

2

3

CH

4 (

V)

ResolutionResolution

@ 60MeV = 3.9%@ 60MeV = 3.9%

Caratterizzazione dello YAG:Ce

Test ai LNS - 60MeV proton beam


0 50 100 150 200

0

1

2

3

Samples

CH

2 (

V)

0

1

2

3

CH

2 (

V)

Due cristalli sono stati attraversati dal singolo protone

Test a LLUMC –100MeV proton beam

Counting map of proton events

1 % standard

deviation

Peak value map of the crystal area

Test di un piano x-y con il calorimetro di YAG:Ce @LNS - Ottobre 2009

Obiettivo: testare la funzionalità dell’architettura.

Un piano x-y è stato accoppiato al calorimetro. Il test è stato effettuato ai LNS con protoni da 62MeV. Durante il test è stato utilizzato un collimatore ( Ø 5mm ). Rate 1-50kHz

Mappa dei conteggi ( il cristallo III è stato eliminatodal sistema di trigger perché durante il test nonfunzionava)


Data projection

Maggio 2010: Assemblaggio dell’apparato completo

sala CATANA

Tracker: 4 x-y planes


Calorimeter

Beam

P1 P2 P3 P4

Misure effettuate con il sistema PCR completo ed un fantoccio disomogeneo - Test at LNS (62MeV)


P1 P2 P3 P4

x

y

Setup sperimentale

Schema del fantoccio

Apparato pCR completo - Test ai LNS (Maggio 2010)


P1 P2 P3 P4

x

y

Experimental setup

Z-Profile

Risoluzione spaziale ad alto contrasto


tra 55MeV e 22MeV �� σ = 3strips (600µm)

Strip number

Test ai LNS (Maggio 2010):

Radiografia di una noce


Prima tomografia

Schema fantoccio


Proiezioni da 0Proiezioni da 0°° a 180a 180°°

con passo di 10con passo di 10°

- La sezione è stato suddivisa in canali da 1mm- Eventi validi: particelle che entrano ed escono nel

medesimo canale

Algoritmo utilizzato: FBP Filter Back Projection

Sviluppato per tomografie a raggi X: si basa sull’ipotesi che le particelle abbiano

traiettorie rettilinee e complanari.

Prima tomografia


� Nuovi dati acquisiti in Febbraio 2011 per aumentare la statistica

� Nuovi algoritmi di ricostruzione in fase di studio erealizzazione: Ricostruzione dell'immagine con unmetodo iterativo. I metodi iterativi permettono disuperare il problema dell'FBP, cioè di dovere assumerele particelle tutte parallele e coplanari → SART(Simultaneus Algebraic Reconstruction Technique).

In programma nuovi test dell’apparato :

�Maggio: @ LNS con protoni da 60MeV:

Attività 2011: Test beam


�Maggio: @ LNS con protoni da 60MeV:

�diverse configurazioni del fantoccio

�studi ad alto rate (fino a 100KHz)

�Autunno: con fasci di protoni di alta energia

�Loma Linda ( CNAO, WPE (Essen) .. )

�Upgrade del sistema :

� Aumento del campo di vista

�Acquisizione on-line delle immagini

� Verifica in laboratorio della funzionalità del sistema di comunicazione

del nuovo tracciatore;

Attività 2011: Sviluppo HW&SW


del nuovo tracciatore;

� Analisi dei dati tomografici� Nuovi dati acquisiti in Febbraio 2011 per aumentare la statistica

� Sviluppo di opportuni algoritmi di ricostruzione� Sviluppo di metodi iterativi: SART (Simultaneus Algebraic Reconstruction

Technique). Algoritmo quasi pronto, stiamo lavorando su come affrontare il

problema della grossa ram richiesta per la risoluzione.

Upgrade del sistemaSviluppo di un prototipo per applicazione pre-clinica

� area di misura maggiore di quella coperta dall'attualeprototipo pCR

� sistema di acquisizione capace di memorizzare i dati di unaintera immagine tomografica senza tempi morti.


intera immagine tomografica senza tempi morti.

La tomografia utilizza le informazioni che provengono da unasezione del campione da visualizzare, che è tipicamenterettangolare e con alto aspect ratio, la ricostruzione e’quindi effettuata mettendo insieme più fette. La nostraproposta è quindi focalizzata verso un tracciatore con areaattiva rettangolare. Per uno studio di fattibilità, l’area sceltaè di 5x20cm2.

� Sensori: Con i rivelatori a microstrip attuali � 4x1

� Calorimetro: con i cristalli attuali � 7x2

� Front-end

� ASIC tracciatore

Elementi costitutivi del nuovo tracciatore


� ASIC tracciatore

� Prima 06 (32 canali)

- 48 piano xy �192

� Nuovo ASIC

� Rif. Esterno per 1.65V (utile�nessuna incertezza sulla soglia)

� Fotodiodi + formatori

� 14

Scheda tracciatore

•Una sola scheda per

piano xy

•Componenti su

entrambe le facceB

locco

Blocco Y1Blocco Y3

Blo

cco


Config. 4x1 �

Blocchi: X1 + X2 + Y1 + Y2 + Y3 + Y4

entrambe le facce

lettura separata

della X dai due lati

(Blocco X1 + Blocco

X2)

Blo

cco X

2

Blocco Y4 Blocco Y2

Blo

cco X

1

Scheda tracciatore:

montaggio sensori

Single


Single

sided

Per queste schede servirà un jig per l’incollaggio di

precisione e per sostenere i circuiti durante la

microsaldatura su entrambi i lati

Sistema di lettura tracciatoreConfigurazione identica per ogni Blocco Xi / Yi

25

6 s

trip

1

2

ASIC3

23

2FPGA

Spartan6XC6SLX45(T)

Serial IN – comandi

Diff. Serial OUT

Trigger

Max. velocità

1.050 Gbps


25

6 s

trip

….

83

2

XC6SLX45(T)CSG484

8 ch. DAC

AD5391BCPZ-5

12bit

I2C

8verso ASIC

Flash per Spartan

Jtag

clk diff.

Componenti ‘ball-grid’

compatibili

con piste d’oro bondabile

Stima del data rate• Per ogni blocco di lettura (in parallelo con tutti gli altri)

– Massimo numero di strip da trasferire: 16– Numero medio di strip da trasferire: 1.5

• Per ogni strip– 8 bit per address (0…255)– 6 bit per inizio segnale wrt trigger (-1.0…+0.2µs @ 50MHz


– 6 bit per inizio segnale wrt trigger (-1.0…+0.2µs @ 50MHz sampling)

– 6 bit per durata del segnale (0…1.2µs @ 50MHz sampling)

• Per ogni evento– Massimo (8+6+6) x 16 = 320 bit– Tipico (1/10 Massimo) = 32 bit

• Durata trasferimento su seriale @100Mbps– Massimo: 3.2µs– Tipico: 320 ns

Acquisizione centrale

Schede tracciatoreScheda di sviluppo con

VIRTEX 6


Serial links

6 x board

Schede Spartan e di sviluppo per sistema di acquisizione centrale (Virtex) già acquisite, test di laboratorio in corso per la verifica del serial link.

Data building tracciatore• Event size

– Massimo: 320 bit x 6 blocchi x 4 schede � 1kByte

– Tipico: 32 bit x 6 blocchi x 4 schede � ≈ 800 bit

• Data rate (1 MHz trigger)


• Data rate (1 MHz trigger)

– Massimo: 1GByte/s

– Tipico: 800 Mbps

• Image size (tipico)

– 180 proiezioni @ 1x105 ev � 1.5 Gbyte + overhead

ML605 – Virtex6


•PCI Express

•Gb Ethernet

•USB

•160 + 68 User I/O (modulo espansione su FMC)

•DDR3 � 512 MB (fino a 2GB) @ 800Mbps

•Flash � 2GB

21cm

6cm

Calorimeter Layout Single channel front-end

A0A1|||||||||

A13

Sampling, data storage and transfer

Upgrade Calorimentro PRIMA


NI 575132-Channel Digitizer Adapter Module for NDT Applications

NI PXIe-7962RNI FlexRIO FPGA Module for PXI Express

NI PXIe-8102 RT1.9 GHz Intel Celeron T3100 Dual Core With LabVIEW Real-Time

• Campionamento dei 14 segnali analogici

• Uscita segnale di trigger• Uscite “Global Event Number”

• Pre - elaborazione dati• Generazione trigger• Generazione GEN

• Memorizzazione dati• Trasferimento dati

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