Detectores - Indico - Universidad de los Andes
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Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 01/10/2010 2010 Universidad de los Andes Departamento de Física Taller MEDIPIX Miércoles 29 de Septiembre de 2010 De los rayos-X a la tomografía de emisión de positrones PET Bernardo Gómez Moreno Departamento de Física Alto Vacío Criogenia Reactores nucleares Superconductividad Electrónica De los rayos-X a la tomografía de emisión de positrones > Diagnóstico > Terapia > Herramientas para investigación Computación Producción de isótopos radioactivos de corta vida Aceleradores de partículas Terapia con Rayos de Partículas: Fotones, electrones, hadrones Detectores de partículas Monitoreo, registro de radiaciones, producción de imágenes 1 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 01/10/2010 ¿Cuál es la naturaleza de la electricidad? “Explorar lo que contiene y mantiene unido al mundo en sus entrañas más profundas.” Reino Unido Faraday, Maxwell, Crookes Alemania Pflücker, Lennard Wilhelm Konrad Röntgen Fausto Johann Wolfgang von Goethe 1895 Tubo de Geissler 1833: Michael Faraday estudia descargas eléctricas en tubos con gas a baja presión. Faraday dice: “La rarefacción del aire favorece maravillosamente fenómenos luminiscentes.” Laboratorio de Röntgen en Würzburg - 1895 Laboratorio de Röntgen en Würzburg - 1895 2 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 01/10/2010 Otto von Guericke 1602 - 1686 Alessandro Volta 1745-1827 Bomba de Vacío de Sprengel 1895 Mercurio gota a gota Inducción electromagnética Carrete de Inducción de Rühmkorff Louis Jacques Mandé Daguerre 3 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 01/10/2010 Röntgen en su laboratorio: 8 de Noviembre de 1895 Anna Bertha Röntgen Esposa de Wilhelm Konrad Röntgen Noviembre 8 de 1895 Wilhelm Conrad Röntgen descubre los Rayos-X Rayos Röntgen Primera Radiografía: La mano de Bertha Röntgen 4 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 01/10/2010 Diciembre de 1895 5 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 01/10/2010 Rayos-X en el frente de batalla Thomas Alva Edison Clarence Dally 1914 -1919 María e Irene Curie Servicio durante la Primera Guerra Mundial Protección radiológica para rayos-X manejo de fuentes radioactuivas e instalaciones de aceleradores de partículas. Los rayos-X, como la luz, son ondas electromagnéticas pero de frecuencia 1000 veces mayor que la de la luz. 1895 Wilhelm Konrad Röntgen en Würzburg, Alemania, descubre los Rayos-X. ¿Cuál es la naturaleza de los rayos-X? 1912 Max von Laue Difracción de Rayos-X Los cristales son rejillas naturales para observar difracción de rayos-X, comportamiento ondulatorio de rayos-X. William Henry Bragg Desde 1912 Difracción de Rayos-X William Lawrence Bragg Ley de Bragg donde Longitud de onda de los rayos-X William Henry Bragg William Lawrence Bragg Ángulo entre rayo incidente y plano de átomos del cristal Distancia entre átomos Hay interferencia constructiva cuando n es un número entero. 6 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 01/10/2010 John Desmond Bernal 1901 - 1971 Precursor del estudio de la estructura del ADN por difracción de rayos-X John Desmond Bernal de la Royal Institution, Davy-Faraday Lab: Inicia estudio de macromoléculas, biomoléculas, mediante Rayos-X. Rosalind Franklin Rosalind Franklin 1921 - 1958 1921 - 1958 Estudio de estructuras moleculares en 3 dim mediante difracción de rayos-X. Estudio de estructuras moleculares en 3 dim mediante difracción de rayos-X. 1953 Contribución esencial en el descubrimiento de la estructura de doble hélice. 1953 Difracción de rayos-X al pasar por el ADN: Los patrones en cruz provienen de la doble hélice. Watson y Crick en Cavendish Lab descubren la estructura de doble hélice del ADN. James D. Watson Francis Crick 7 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 La Doble Hélice 57 Años del Descubrimiento de la Estructura del ADN En la Academia de Ciencias de Francia se presenta la publicación de Röntgen sobre los rayos X. Antoine Henri Becquerel escucha en la lectura el efecto de fluorescencia que observa Röntgen en el tubo de descarga. ¿Será la fluorescencia la fuente de los rayos X? 01/10/2010 De la búsqueda de la naturaleza de la electricidad… a los rayos-X … a la radioactividad … y a las partículas elementales … 1897 Reino Unido Joseph John Thomson El corpúsculo: el electrón Alemania Wilhelm Konrad Röntgen Los rayos-X, rayos Röntgen Francia Henry Becquerel La radioactividad 1895 1896 Antoine Henri Becquerel descubre una radiación “invisible y penetrante” emitida espontáneamente por Uranio. Muestra que esta radiación del Uranio deja huella en películas fotográficas y produce conductividad eléctrica en el aire. La radioactividad … ¿ fenómeno propio de los átomos ? 1896 Francia Henry Becquerel Pierre Curie Maria Curie 8 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 RADIOACTIVIDAD NATURAL En Julio de 1898 Pierre y Marie Curie descubrieron dos elementos químicos que también emiten esta radiación invisible y penetrante. 01/10/2010 De la búsqueda de la naturaleza de la electricidad… a los rayos-X … a la radioactividad … y a las partículas elementales … 1897 Reino Unido Joseph John Thomson El corpúsculo: el electrón Llamaron a estos elementos: Polonio y Radium y la l las l radiaciones di i que emiten it las llamaron: “RADIOACTIVIDAD”. Francia Henry Becquerel La radioactividad Pierre y Marie Curie midieron que una masa dada de Radium emite 1.4 millones de veces más radiación que la misma masa de Uranio. Clasificaron el Radium como el más radioactivo de los elementos. 1897 La primera partícula: Joseph John Thomson descubre “el corpúsculo”, el electrón. Alemania Wilhelm Konrad Röntgen Los rayos-X, rayos Röntgen 1895 1896 1897 La primera partícula: J.J.Thomson descubre “el corpúsculo”, el electrón. 1897 La primera partícula: J.J.Thomson descubre “el corpúsculo”,el electrón. 9 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 01/10/2010 Lord Rutherford 1871-1937 1911 Experimento de Rutherford Experimento de Rutherford Detector Placa sulfato de zinc 1911 Detector Placa sulfato de zinc Ernest Rutherford Hans Geiger “Blanco” Película de Oro Fuente Alfas Radium Colimador Diafragma de Plomo Descubrimiento del núcleo atómico Fuente: Proyectiles Experimento de Rutherford Detector Placa sulfato de zinc 1911 Target Detectores Descubrimiento del Núcleo Atómico Detector Placa sulfato de zinc “Blanco” Película de Oro Fuente Alfas Radium Colimador Algunos pocos alfas Diafragma rebotan, de Plomo son dispersados hacia atrás Experimento p de Rutherford La mayoría de los alfas sigue de frente, poca dispersión 10 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 Experimento de Rutherford 01/10/2010 De los “supergamas”… a los neutrones … Reino Unido + 9Be ?… James Chadwick Detector Placa sulfato de zinc 1911 El neutrón Alemania, Heidelberg Walter Bothe ¿supergamas? 1932 Detector Placa sulfato de zinc “Blanco” Película de Oro Fuente Alfas Radium 1931 Francia, Paris Frédéric Joliot-Curie Irène Joliot-Curie Colimador Diafragma de Plomo Fuente: Proyectiles 1930 ¿supergamas? Francia, Paris Frédéric Joliot-Curie Irène Joliot-Curie De los neutrones a los isótopos radioactivos “radioactividad inducida” Italia, Roma Enrico Fermi ¿transuránicos? + 9Be n + 12C Descubrimiento del Neutrón James Chadwick 1934 1934 - 1938 1932 Dinamarca, Copenhague Niels Bohr De los experimentos con neutrones a la fisión nuclear Alemania, Berlín Otto Hahn Lise Meitner 1939 1939 Italia, Roma Enrico Fermi Idea de Niels Bohr: úc eo se El núcleo comporta como una gota. 1939 Físión Nuclear 1934 - 1938 11 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 De la fisión nuclear a la “pila atómica”: el reactor nuclear Alemania, Berlín 01/10/2010 Experimento de Rutherford Detector Placa sulfato de zinc 1911 Otto Hahn Lise Meitner Detector Placa sulfato de zinc 1939 “Blanco” Película de Oro Fuente Alfas Radium Colimador Diafragma de Plomo Chicago, Estados Unidos Enrico Fermi Dic.2 de 1942 Fuente: Aceleradores Noruega, Oslo Alemania, Berlín Los primeros aceleradores de partículas Rolf Wideröe 1923 Rolf Wideröe 1923 1928 1932 Reino Unido, Cambridge Laboratorio Cavendish Ernest Rutherford, Cockcroft y Walton Karlsruhe, Aachen, Berlín Publicaciones sobre aceleradores: lineal, ciclotrón, betatrón 1932 Noruega, Oslo Alemania, Berlín Acelerador de Protones Cockcroft-Walton Rolf Wideröe 1923 1932 Berkeley, Estados Unidos Ernest Orlando Lawrence 12 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 Ernest Orlando Lawrence Berkeley, 1932 el Ciclotrón 01/10/2010 Ernest Lawrence 1932: Ciclotrón Ernest y John Lawrence 1932 primer tratamiento del cáncer con rayos d l del acelerador. Paciente: Gunda Lawrence madre de los hermanos Lawrence. El rayo sale del ciclotrón Radiological Use of Fast Protons ROBERT R WILSON Research Laboratory of Physics, Harvard University Cambridge, Massachusetts Accepted for publication in July 1946. Robert Wilson en Harvard: Pone las bases para la Terapia de Protones Except for electrons, the particles which have been accelerated to high energies by machines such as cyclotrons or Van de Graaff generators have not been directly used therapeutically. Rather, the neutrons, gamma rays, or artificial radioactivities produced in various reactions of the primary particles have been applied to medical problems. This has, in large part, been due to the Robert Rathbun Wilson very short penetration in tissue of protons, deuterons, and en 1946 alpha particles from present accelerators. "Radiological Use Higher-energy machines are now under construction, however, and the ions from them will in general be of Fast Protons“ energetic enough to have a range in tissue comparable to Radiology body dimensions. It must have occurred to many people 1946:47:487-91 that the particles themselves now become of considerable therapeutic interest. The object of this paper is to acquaint medical and biological workers with some of the physical properties and possibilities of such rays. 13 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 01/10/2010 Radiological Use of Fast Protons ROBERT R WILSON Research Laboratory of Physics, Harvard University Cambridge, Massachusetts Accepted for publication in July 1946. To be as simple as possible, let us consider only highenergy protons: later we can generalize to other particles. The accelerators now being constructed or planned will yield protons of energies above 125 MeV (million electron volts) and perhaps as high as 400 MeV. The range of a 125 MeV proton in tissue is 12 cm cm., while that of a 200 MeV proton is 27 cm. It is clear that such protons can penetrate Robert Rathbun Wilson to any part of the body. en 1946 The proton proceeds through the tissue in very nearly a "Radiological Use straight line, and the tissue is ionized at the expense of the energy of the proton until the proton is stopped. The dosage of Fast Protons“ is proportional to the ionization per centimeter of path, or Radiology specific ionization, and this varies almost inversely with the 1946:47:487-91 energy of the proton. Thus the specific ionization or dose is many times less where the proton enters the tissue at high energy than it is in the last centimeter of the path where the ion is brought to rest. Tratamiento del Cáncer de Próstata Rayos incidentes frontales Rayos-X Rayos de Protones Robert Rathbun Wilson en 1946 "Radiological Use of Fast Protons“ Radiology 1946:47:487-91 Tratamiento del Cáncer de Próstata Rayos incidentes laterales Rayos-X Rayos de Protones Tratamiento del Cáncer de Próstata Rayos incidentes múltiples Rayos-X Rayos de Protones Con visión de futuro: Robert Wilson pone la primera piedra del Laboratorio Fermilab 1970 14 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 01/10/2010 Terapia con fotones o con electrones es lo usual en las clínicas del mundo. En Fermilab Robert Wilson es innovador con la hadrónterapia. Instalación de Terapia Hadrónica en Loma Linda Sincrotrón de Protones de Loma Linda Sincrotrón de protones 3 rayos de protones con “gantry” para tratamiento de pacientes Del Cockkroft-Walton al Acelerador Lineal Fermilab Fermilab 15 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 01/10/2010 Terapia Hadrónica para Tratamiento del Cancer Tratamiento de tumores locales y metástasis localizados en región delimitada Tratamientos: > Cirugía > Radioterapia > Quimioterapia > Inmunoterapia Terapia Hadrónica: > Neutrones > Protones > Piones > Iones (alfas, C, Ne) Con Protones: > Mejor distribución de la dosis Fermilab Tevatrón Comparando … … con fotones Átomo neutro ANTES Átomo neutro Con Neutrones: > Más efectividad en destrucción de tumores Por la efectividad en la destrucción de tumores … … las dosis requeridas con neutrones son 1/3 de las dosis con fotones, fotones electrones o protones. Átomo ionizado DESPUÉS DE LA COLISIÓN Restos … con neutrones Neutrón Él neutrón logra un mayor efecto de fraccionar de átomos El diagnóstico es esencial para el correcto tratamiento Todo el tratamiento con neutrones se realiza en 10 a 12 sesiones a lo largo de 1 a 2 meses. Planeando el tratamiento … 16 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 01/10/2010 Diagnóstico primero y luego, a lo largo del tratamiento, seguimiento del progreso del paciente. El diagnóstico es esencial para el correcto tratamiento Realizando el tratamiento: Terapia de neutrones en Fermilab. Realizando el tratamiento: Terapia de neutrones en Fermilab. 17 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 01/10/2010 Terapia con neutrones Terapia con neutrones Antes del tratamiento Después del tratamiento Experimento de Rutherford Detector Placa sulfato de zinc 1911 Detector Placa sulfato de zinc “Blanco” Película de Oro Fuente Alfas Radium Colimador Diafragma de Plomo Detectores Terapia con iones pesados en Darmstadt, Alemania: GSI Los detectores de partículas Detectores de Radiación: Cámaras (tubos) de ionización Francia Georges Charpak Fuente de Voltaje Radiación ionizante incidente 1970 Ánodo + Dispositivo de medición de Corriente Stanford Univ., Estados Unidos Robert Hofstadter Cátodo Mezcla de gases 1946 18 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 01/10/2010 Detectores de Centelleo Cristal de Yoduro de Sodio y Fotomultiplicador Radiación Luz Tubo Fotomultiplicador El t ó i Electrónica para medición Cristal de Yoduro de Sodio Ánodo Fofocátodo Ventana Óptica Robert Hofstadter: el Cristal de Centelleo de Yoduro de Sodio Detectores de Silicio Georges Charpak y la Cámara Multialambres Fuente Rayos-X Medipix del CERN a la Universidad de los Andes Detector de 65 mil pixeles Rayos-X Objeto a estudiar Detector de 65 mil Pixeles Pixel M E D I P I X 19 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 01/10/2010 Campo Eléctrico Experimento de Rutherford Detector Placa sulfato de zinc 1911 Campo Magnético Detector Placa sulfato de zinc “Blanco” Película de Oro Fuente Alfas Radium Espectrógrafo de Masas Francis Aston 1919 Descubre los isótopos, identifica 212 isótopos. Colimador Diafragma de Plomo MÉTODOS No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y , a continuación, abra el archiv o de nuev o. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuev o. Monocanal Single Channel Amplitud Ventana Umbral Pulsos de diversa amplitud Se cuentan cuántos pulsos caen dentro de la ventana. Se sube el umbral y se cuentan cuántos pulsos caen dentro de la nueva ventana. Analizador de Multicanal Una serie de ventanas da un multicanal. Mediciones en Coincidencia Entendiendo la Tomografía Computarizada 20 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 CT 01/10/2010 Tomografía con rayos-X Tubo de rayos-X y rayos-X a ser detectados Detectores de rayos-X Producción de radioisótopos emisores de beta+ Positrones Producción de isótopos radioactivos PET ¿Cómo funciona? Núcleo de Fluoro 18 PET Fotón Positrón Electrón Fotón 1 – Detectores de fotones: Cámara azimutal de 2 2 – Cuerpo del paciente. 3 – Punto de decaimiento beta+ (emisión de positrón). 4 – Fotones resultantes a detectar con cámara azimutal. 21 Bernardo Gómez Moreno Universidad de los Andes Taller Medipix Sep. 29 y 30, Oct.1 - 2010 01/10/2010 CT y PET se aplican simultáneamente y se complementan. En diagnóstico: Tomografía de Emisión de Positrones PET / CT Tomografía de rayos-X (CT) y Tomografía de Emisión de Positrones (PET) se complementan. Alto Vacío Criogenia Reactores nucleares Superconductividad Tomografía Computarizada PET Electrónica Computación Producción de isótopos radioactivos de corta vida Aceleradores de partículas Terapia con Rayos de Partículas: Fotones, electrones, hadrones Detectores de partículas Monitoreo, registro de radiaciones, producción de imágenes 22
