Kedge Imaging at Synchrotron Sources Nuovo esperimento 3

K-edge Imaging at Synchrotron Sources Nuovo esperimento, 3 anni Cagliari, PISA*, Trieste * R. N.

K-edge subtraction (KES) imaging con sorgente di sincrotrone: obiettivi • Sviluppo della tecnica con fascio policromatico e rivelatore spettrale (single shot ad alta velocità) • Sviluppo di una nuova tecnica con fasci monocromatici (rimozione totale background) • KES planare e CT con nuovi mezzi di contrasto (argento, oro, platino ecc. ) • KES con più mezzi di contrasto contemporaneamente (esempio: I+Xe)

INTRODUZIONE

Mezzi di contrasto Esempio: solfato di bario • Aumentare il contrasto • Imaging funzionale Angiografia in sottrazione Sottrazione di immagine con e senza mezzo di contrasto: background rimosso e arteria evidenziata

“Elementi” nel mezzo di contrasto Mezzo di contrasto: • Contiene elementi con alto Z • Alta concentrazione • Biocompatibile Iodio (33. 17 ke. V): • Angiografia Xenon (34. 56 ke. V): • Imaging polmonare Bario (37. 44 ke. V): • imaging del colon Gadolinio (50. 24 ke. V): • usato in MRI, usabile in imaging a raggi X Platino (78. 39 ke. V) Oro (80. 72 ke. V): • Mezzi di contrasto con nanoparticelle

X-ray K-edge Subtraction Imaging X-rays Muscolo Low energy: 30 ke. V osso Mezzo di contrasto con I (diverse concentrazioni) High energy: 37 ke. V • Al crescere dell’energia il μ dell’osso diminuisce • Al k-edge il μ del mezzo di contrasto cresce

Normalized low 30 ke. V Normalized high 37 ke. V muscolo = KES osso Mezzo di contrasto con I (diverse concentrazioni)

KES CT 37 ke. V Osso KES 30 ke. V = Osso In CT l'intensità è proporzionale al μ e non dipende dallo spessore. Nell’immagine KES, i dettagli con mezzo di contrasto hanno segnale superiore rispetto a tutte le altre componenti del campione.

Vantaggi del KES • Identificazione certa dei dettagli contenenti il mezzo di contrasto (è un segnale fisico, non image-processing) • In principio permette di misurare le concentrazioni (CT) • Rimozione/identificazione del background • In principio applicabile a vari esami di diagnostica (es. angiografia con iniezione in vena) • Riduzione concentrazione del mezzo di contrasto • Può essere fatta in single shot • Studi preclinici con uso di diversi mezzi di contrasto per imaging funzionale

Implementazione basata sulla sorgente • 2 immagini monocromatiche successive – Sincrotrone + cristallo monocromatore • 2 immagini monocromatiche co-registrate – Sincrotrone + cristallo curvato in trasmissione (Laue)

Implementazione basata sul rivelatore • Usando un rivelatore di tipo “single photon counter”, la soglia di discriminazione può essere usata per selezionare l’energia dei fotoni rivelati. • Si può realizzare il KES con fasci policromatici • Disponendo di un detector “spettrale” con almeno due soglie e due contatori per pixel, è possibile acquisire l’immagine KES in una singola esposizione (single shot KES)

F. Brun a , P. Delogu b, V. Di Trapani b, D. Dreossi c, R. Longo d, L. Rigon d, a. INFN, sez. di Trieste, Italy b. Dipartimento di Scienze Fisiche, della Terra e dell’Ambiente, Università di Siena and INFN sez. di Pisa, Italy c. Elettra-Sincrotrone Trieste S. C. p. A, Basovizza, Trieste, Italy d. Dipartimento di Fisica, Università di Trieste and INFN, sez. di Trieste, Italy Stato dell’arte con detector spettrali KEST (K-EDGE SPECTRAL TOMOGRAPHY)

Iodio Bayern Ultravist® 370 0. 5 M diluted: 0. 25 M, 0. 125 M, 0. 063 M, 0. 050 M Idetail-Ibackground= 0. 02 Idetail-Ibackground= 0. 01 Monocromatico: 34 -33 ke. V • Policromatico: 43 k. V + 1 mm Al, Thlow= 26 ke. V, Thhigh=33. 2 ke. V Il segnale è ridotto di circa un fattore 2

Gadolinio Bracco Multihance® 0. 5 M diluted: 0. 5 M, 0. 25 M, 0. 125 M, 0. 063 M, 0. 050 M Idetail-Ibackground= 0. 0034 Monocromatico: 51 -50 ke. V Idetail-Ibackground= 0. 0019 • Policromatico: 60 k. V + 1 mm Al, Thlow= 43 ke. V, Thhigh=50. 2 ke. V Il segnale è ridotto di circa un fattore 1. 8

Campioni biologici Tumore mammario impiantato in un topo e marcato con un mezzo di contrasto contenete bario. 38 ke. V 37 ke. V Monochromatic KES Tempo di acquisizione: ~ 3 ore High energy Low energy Polychromatic KES 50 k. V +1 mm Al, Thlow= 28 ke. V, Thhigh=37. 4 ke. V

Nuova proposta: 1 SVILUPPO DELLA TECNICA CON FASCIO POLICROMATICO E RIVELATORE SPETTRALE

Scopo • Sfruttare l’alta fluenza del sincrotrone per imaging veloce (dinamica del mezzo di contrasto) • Fascio rosa che ottimizza la tecnica con detector spettrale, confronto con setup basato su tubo RX • Studio di nuovi mezzi di contrasto (Ag, Au, Pt) • Tecnica del doppio mezzo di contrasto

Fascio bianco e fascio rosa Fascio bianco + 2 mm Al Fascio bianco + 0. 5 mm Fe Fascio bianco + 0. 05 mm Pd + 1 mm Fe

Tecnica del doppio mezzo di contrasto high threshold scan Ba I H 2 O Esempio: Test di ottimizzazione delle soglie per rimuovere un mezzo di contrasto rispetto all’altro o vederli entrambi • Tubo con anodo W a 45 k. V • Filtrazione: 1 mm Al • LOW Threshold fissata a 26 ke. V • HIGH threshold scan 28 -42. 6 ke. V a passi di 0. 2 ke. V

Nuova proposta: 2 SVILUPPO DI UNA NUOVA TECNICA CON FASCI MONOCROMATICI

Cristallo dispersore Fascio bianco divergente (Δθ) sotto k-edge Angolo θ Cristallo Bragg (o Laue) campione sopra k-edge detector

Esempio (ottenuto a elettra) Sopra k-edge Sezione coronale CT di pipette contenenti iodio (assiale) KES CT Bayern Ultravist® 370 0. 5 M diluted: 0. 25 M, 0. 125 M, 0. 063 M, 0. 050 M Sotto k-edge

Cristalli curvi Idea: usare un cristallo curvo, asimmetrico, sottile • per ottenere bassa dispersione • per ottenere fasci quasi paralleli Dispersione in funzione del raggio di curvatura e dell’asimmetria

Scopo • Curvando opportunamente il cristallo si possono ottenere fasci quasi paralleli e ridurre gli artefatti dovuti all’errore di parallasse • Sfruttare la bassa dispersione del cristallo per imaging con doppio mezzo di contrasto (I+Xe) • Sviluppo della tecnica con nuovi mezzi di contrasto (Ag, Au, Pt). Test su L-edge imaging.

Collaborazioni – Elettra (Ralf Menk) – Chimici Università di Sassari interessati alla dinamica dei metalli – Ricercatori del Canadian Light Source

COSE CHE GIÀ ABBIAMO

Syrmep a Elettra White beam Fascio bianco a 2. 0 Ge. V Monocromatore • Double Si (111) crystal • Energy range: 8. 5 -38 ke. V (fino a 55 ke. V con terza armonica) • Risoluzione energetica: Lunghezza sala sperimentale ~5 m ∆E/E=2∙ 10 -3 Rivelatori • CCD

Detectors INFN PIXIRAD 1 - PIXIE III PIXIRAD-8 detector • • • Large area (250 X 25 mm 2) • • Cd. Te sensor (650 μm thick) • • Pixel size 60 μm in exagonal arrangement • Single Photon Counting with two counters per pixel • Dead Time Free (DTF) acquisition modality • Up to 30 frames per second (fps) 1. 2. 3. Hybrid architecture Cd. Te Schottky sensor and PIXIE-III readout system Two independent acquisition thresholds and two counters per pixel Sensor: 650 μm Cd. Te crystal Pixel size: 62 μm pixel pitch Detection Area: 512× 402 elements, covering an area of 31. 7× 25. 0 mm 2 100 fps Three acquisition modes Pixel Mode (PM): each pixel counts independently from the others. Neighbor Pixel Inhibit mode (NPI): only one pixel per event is allowed to count. Neighbor Pixel Inhibit and Pixel Summing Mode (NPISUM): the signals of 4 neighbor pixels are summed together to correctly evaluate the total energy of any event involving up to 4 pixels.

COSA SERVE

Strumentazione da acquisire – Bender + cristallo (~ 15 k. Euro) – Slit + movimentazione (dump del fascio bianco) (~7 k. Euro) – Filtri + portafiltri motorizzato per fascio rosa (~8 k. Euro) – Sistemi di movimentazione detector (~10 k. Euro) – Sistemi di controllo e ricostruzione immagini (~ 5 k. Euro) – Materiali per campioni test (~5 k. Euro)

Persone a Pisa – U. Bottigli, P. O. Siena – P. Delogu, P. A. Siena 0. 5 0. 7 (R. N. ) – V. Di Trapani, dottorando Siena 1

Primo anno con rivelatore spettrale: Messa a punto del formatore di fascio rosa Imaging planare e CT k-edge con fascio rosa con mezzi di contrasto classici (I, Ba, Gd) a elettra Studio su campioni con doppio mezzo di contrasto con cristallo dispersore: K-edge con cristallo attuale di SYRMEP: test della modalità in scansione Acquisizione e test del cristallo dispersore Per entrambe le modalità: Acquisizione o sviluppo di fantocci per test Studio delle concentrazioni dei mezzi di contrasto Contatti con biologi/medici per applicazioni In questo primo anno l'attività sperimentale sarà condotta su fantocci test usando la seguente strumentazione: Detector PIXIE III di KEST (31. 7 X 25 mm 2), 62 micron pixel size da usare come rivelatore spettrale PIXIRAD-8 da provare come rivelatore spettrale PIXIRAD-8 da usare con cristallo dispersore

Secondo anno In ogni caso: • implementazione del setup per l’acquisizione con scansione (scan planare e CT spirale) • micro imaging planare e micro CT (con CCD) • Definizione delle applicazioni e sviluppo di fantocci ad hoc • KES su mezzi di contrasto ad alto Z (altri sincrotroni) con rivelatore spettrale: • Imaging planare con fascio rosa per mezzi di contrasto trendy (altri sincrotroni) con cristallo dispersore: • acquisizione dei cristalli • caratterizzazione dei cristalli • test dei setup definiti al primo anno su campioni test • L-edge imaging

Terzo anno Al terzo anno dovremmo avere diversi possibili setup per le varie applicazioni (planare e CT): • • • Implementazione e ottimizzazione del setup per il real single shot imaging con alti flussi (detector spettrale) Implementazione e ottimizzazione del setup per l’imaging con cristallo dispersore e grande FOV (PIXIRAD-8) Implementazione e ottimizzazione del setup per l’imaging con cristallo dispersore e risoluzione micrometrica. Nel terzo anno dovremmo dedicarci soprattutto ai lavori applicativi con i partner (biologi, radiologi) coinvolti nel progetto.