Obiettivo Tecnico - Crosetto Foundation
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Obiettivo Tecnico - Crosetto Foundation
CANCRO: DIMENSIONE DEL PROBLEMA Una CALAMITA’ che tocca oltre il 40% della popolazione mondiale che miete piu’ vite prematuramente di qualsiasi malattia, guerra, disastro, ecc. www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.1.0) EMERGENZE PLANETARIE Decessi negli U.S.A. nel 2005 secondo la causa e per fasce di eta’ Paese Decessi annuali per cancro eta’ 50-75 U.S.A. 300,000 Giappone 207,000 140000 120000 100000 80000 Canada 31,000 Europa 450,000 60000 40000 Totale Tutte le altre cause cancro cuore incidenti cerebrovascolari 988,000 20000 0 1-4 5-14 15-24 25-44 Fasce di eta’ (anni) www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.1.1) omicidio suicidio 45-64 Source: NCI - CDC NECESSITA’ di una svolta nella Direzione della Ricerca 73.603.711 Oltre 73 millioni di decessi prematuri dovuti al cancro dal 1996 (un decesso ogni 5 secondi tra la popolazione mondiale di eta’ inferiore ai 75 anni). (Source: World Health Organization “in 2005, 7.6 million people died of cancer out of 58 million deaths worldwide”) Molti di questi decessi potevano essere evitati dal momento che proprio dal 1996 esiste una soluzione finalizzata alla diagnosi precoce del cancro. www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A1.2) CHE COS’E’ IL CANCRO? www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.2.0) Il cancro e’ una patologia caratterizzata da una mutazione delle cellule del corpo, che continuano a suddividersi e a riprodursi sfuggendo al controllo dell’organismo, invadendo e danneggiando tessuti e organi circostanti, diffondendosi anche a distanza attraverso il sangue ed il sistema linfatico (metastasi). Le cellule cancerose presentano alterazioni genetiche e la loro forma risulta modificata in quanto viene alterato il rapporto tra nucleo e citoplasma. Risulta alterata anche la loro struttura che si presenta irregolare: infatti la distanza tra i nuclei delle cellule cancerose e’ variabile, o i nuclei sono ammassati o troppo distanziati. Accrescendosi velocemente necessitano di una quantita’ di nutrimento superiore (anche fino a 70 volte rispetto alle cellule normali) presentando quindi alterazioni anche nel metabolismo. www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.2.1) Cancro: Un fenomeno patologico Un “carcinogen” (agente che causa il cancro) può provocare pericolosi cambiamenti nel DNA e danneggiare la parte delle cellule che è responsabile della riproduzione, provocando anche un aumento della velocità di divisione cellulare, con richiesta di maggior nutrimento. Divisione normale delle cellule Divisione delle cellule cancerogene Cellula danneggiata, non può essere riparata www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.2.2) Source: NIH NCI QUAL E’ LA CAUSA DEL CANCRO? www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.3.0) Fonte: NIH NCI LE CAUSE DEL CANCRO Il cancro è spesso percepito come una malattia che Alcuni colpisce senza prodotti nessuna ragione chimici apparente. Questo è perché gli scienziati non sanno spiegare TUTTE le cause del cancro. Tuttavia, molte cause del cancro sono già state identificate. Mentre con la prevenzione Virus o Batteri primaria si cerca di modificare tutti i fattori noti che determinano Radiazione l’insorgenza del cancro (determinanti ambientali, stili di Ereditarieta’ vita), la diagnosi precoce, che si può ottenere attraverso lo screening, rappresenta uno strumento estremamente efficace nel ridurre la mortalità da cancro www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.3.1) Fonte: NIH NCI Radiazione Batterio del cancro nel sarcoma di Kaposi. Le frecce indicano i microbi del cancro ingranditi 1000 volte relativi ad un tumore alla pelle, precisamente sarcoma di Kaposi in un uomo di 52 anni, bisessuale, nero, affetto da AIDS. www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.3.2) Veleni che causano il cancro contenuti in una sigaretta Fonte: NIH NCI I rischi delle Radiazioni: Spettro delle Onde Elettromagnetiche (Le radiazioni pericolose sono quelle a sinistra dei raggi ULTRAVIOLETTI) www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.3.3) Esposizione a Sorgenti di Radiazione Altri 1% Prodotti di Consumo 3% Medicina Nucleare 4% Raggi-X medici 11% Alcuni esempi di dose radioattiva utilizzata in esami medici denti (2 viste): 2 mrem 4 viste mammogr.: 20 mrem Panoramica dentale: 8 mrem Raggi-x al torace: 6 mrem Zona pelvica: 65 mrem Raggi-x alla testa: 20 mrem Radon 55% Raggi gamma terrestri e cosmici 26% Radon Raggi gamma terrestri e cosmici 100% = 360 mrem/anno 100% = 360 mrem/year Raggi-X medici Medicina Nucleare Prodotti di consumo Altri www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.3.4) COME E’ STATA AFFRONTATA LA CALAMITA’ DEL CANCRO? www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.4.0) 1,3 milioni di nuovi casi di cancro sono diagnosticati ogni anno negli USA Incidenti, Sopravvissuti e decessi per Cancro ogni 100,000 persone Fegato (M) Utero (F) Polmone Intestino (M Ovarie (F) Pancreas ( Colon & Re Seno (F) Prostata (M Polmone & 4 5 6 7 8 9 4.2 0.8 5 4.4 17 21.4 &8Bronchi 2.9 (M)10.9 8.8 6.2 15 9.4 0.6 10 Prostata (M)57.7 25 32 27 84 109.8 30 116.8 (F) 146.8 Seno 74 6 80 Colon & Retto (M) Incidences Survivals Deaths Pancreas (M) Ovarie (F) Intestino (M) Utero (F) Fegato (M) 0 25 50 75 100 125 150 Source: National Institutes of Health, National Cancer Institutes www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.4.1) Casi per 100,000 Il cancro e’ una vera e propria calamita’ che annualmente miete piu’ vittime di qualsiasi guerra. Oltre il 40% della popolazione mondiale e’ toccata dal cancro durante la vita e oltre il 10% morira’ prematuramente per questa malattia. Il cancro e’ sicuramente il nemico numero uno (per l’intera umanita’) che non siamo ancora riusciti a sconfiggere probabilmente a causa di un errore gigantesco nella strategia fino ad ora intrapresa nella lotta contro tale malattia. Da oltre mezzo secolo, a fronte di ingenti investimenti (solo negli USA $8 miliardi all’anno spesi per la ricerca e $64 miliardi all’anno per la cura di tumori in stadio avanzato), il cancro e’ stato affrontato quasi esclusivamente attraverso lo studio di nuovi farmaci e terapie finalizzate alla cura del cancro diagnosticato in fase avanzata, che hanno offerto magri risultati, permettendo di ottenere una riduzione della mortalita’ inferiore al 2%. www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.4.2) IL COSTO ECONOMICO DEI TRATTAMENTI PER IL CANCRO NEGLI U.S.A. www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.4.3) Source: Clifton Leaf: Bethesda , June 21, 2007 …i benefici ottenuti sono veramente troppo pochi Fonte: Clifton Leaf: Bethesda , June 21, 2007 Traduzione: dei 71 farmaci approvati dall’FDA tra il 1 gennaio 1990 e il 1novembre 2002, sicuramente i tre quarti sono stati approvati per ragioni diverse da quelle che determinano un prolungamento della vita del paziente. www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.4.4) …pochi benefici e troppo tardi Traduzine: il 75% dei farmaci dai costi favolosi approvati in anni recenti (quelli che hanno superato almeno dieci anni di sviluppo e test di sperimentazione) non hanno DIMOSTRATO di aver tenuto i pazienti in vita piu’ a lungo rispetto ai trattamenti normalmente in uso. Citazione dal seminario di Clifton Leaf a Bethesda (U.S.) il 21 giugno 2007 Silvio Garattini e Bertele’ (farmacologi italiani) hanno riportato nella rivista scientifica BMJ nell’agosto 2003 i risultati relativi alla sperimentazione di 12 nuovi farmaci anticancro che sono stati approvati per il mercato europeo dal 1995 al 2000 e confrontati con trattamenti standard utilizzati per la medesima malattia. I ricercatori non hanno trovato differenze sostanziali— nessun miglioramento nella sopravvivenza, nella qualita’ della vita e nella sicurezza per il paziente—con nessuno di questi farmaci. Tuttavia, tutti I nuovi farmaci erano molte volte piu’ costosi rispetto ai vecchi. In un caso il prezzo era 350 volte superiore. Source: British Medical Journal August 2003 (Cited on Fortune, C. Leaf, March 22, 2004) www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.4.5) Source: Fortune Magazine, March 22, 2004 www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.4.6) Traduzione della diapositiva prcedente LE CURE MIRACOLOSE RIVELATESI ILLUSORIE Decenni di scoperte hanno acceso più volte le speranze nelle persone malate di cancro, ma hanno tutte fallito nel soddisfare le aspettative. • La radioterapia – Subito dopo la scoperta dei raggi X nel 1895 da parte di Wilhelm Roentgen, alcuni medici predissero che le onde ad alta energia derivanti dai “ciclotroni” potevano essere utilizzate per debellare molti tipi di cancro. Un secolo più tardi la radiazione indirizzata su un punto preciso è un’arma importante nell’arsenale degli oncologi, ma non è l’arma magica che molti pensavano fosse. • L’Interferone - Nel 1980, il mondo entrò in grande agitazione per il grande “IF”- un potenziatore del sistema immunitario che il corpo produce in piccole quantità- poiché si era diffusa l’idea che questa risorsa naturale contro i virus potesse ridurre anche i tumori. Sebbene sia ancora usato in alcune terapie contro il cancro, l’IF non ha mantenuto la promessa iniziale. • L’Interleukina 2 - Come l’Interferone, questa proteina aiuta il corpo ad attivare il sistema immunitario. E come l’IF, anche il l’Interleukina 2 è stata considerata la “soluzione per il cancro ” che stavamo aspettando; dopo anni di sperimentazione e piccoli miglioramenti, la terapia ha portato solamente a sporadiche remissioni nei pazienti. • L’Endostatina - Dopo il fermento prodotto dalla prima campagna pubblicitaria, primo tra i tanti composti designati a combattere l’angiogenesi dei tumori, è drammaticamente fallita nella sperimentazione sull’uomo. Si sta ancora lavorando sulla medicina della prossima generazione. • Il Gleevec - La piccola pastiglia gialla della Novartis ha effetti sorprendenti su alcuni tipi di cancro molto rari con mutazioni semplici; la malattia, tuttavia, può diventare resistente a questa specifica medicina biologica. Source: Fortune Magazine, March 22, 2004 www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.4.7) Vi chiederete: Quali sono i benefici complessivi ottenuti da questo invenstimento? Return of Investment (ROI) Purtroppo, per quanto riguarda il cancro la curva e’ piatta da mezzo secolo, mentre per le malattie cardiovascolari i decessi si sono dimezzati. Emerge quindi la NECESSITA’ di una svolta nella Direzione della Ricerca contro il cancro www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.4.8) COME SI DOVREBBE AFFRONTARE LA CALAMITA’ DEL CANCRO? www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.5.0) Dati sperimentali dimostrano che la diagnosi precoce e’ il mezzo piu’ efficace per combattere il cancro, dal momento che salva la vita dal 90% al 98% dei casi. (Mentre ad esempio la diagnosi ad uno stadio avanzato di un cancro al polmone -quello che miete piu’ vittime prematuramente tra tutti i tipi di cancro- presenta una sopravvivienza inferiore al 10%). E’ necessario pertanto indirizzare la ricerca non piu’ quasi esclusivamente sullo sviluppo di farmaci e terapie finalizzate alla cura del cancro diagnosticato in fase avanzata, bensi’ soppratutto sulla diagnosi precoce, per riuscire a captare i primi segnali che indicano l’inizio di una mutazione delle cellule che da normali si trasformano in cellule cancerose. Per capire quali sono i segnali importanti da captare occorre conoscere innanzitutto come si manifesta il cancro. www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.5.1) Dati sperimentali dimostrano che il cancro alla prostata, al seno e al colon-retto sono curabili, salvando la vita dal 90% al 98% dei casi se diagnosticati precocemente www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.5.2) Dalla Rivista WIRED, Dicembe 2008 www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.5.3) Come dimostrano i dati sperimentali, la diagnosi precoce offre buone probabilità di individuare il cancro in fase iniziale, quando risulta altamente curabile Ma la ricerca, anche nell’ultimo decennio, ha continuato ad enfatizzare la direzione dello sviluppo quasi esclusivo dei farmaci NECESSITA’ di una svolta nella Direzione della Ricerca contro il cancro www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.5.4) Obiettivo Sociale: Ridurre sostanzialmente la mortalità da cancro!!! • Dati statistici dimostrano che non stiamo vincendo la guerra contro il cancro. • Non possiamo continuare a spendere in medicinali ed apparecchiature diagnostiche che mirano solo a misurare la dimensione dei tumori già formati. • La soluzione è la diagnosi precoce – dobbiamo diagnosticare l’inizio dello sviluppo del cancro ad un livello molecolare e monitorare la crescita prima che il tumore prenda forma • E’ a quello stadio di intervento che si può ridurre la mortalità da cancro piuttosto che ritardare solamente la morte di qualche mese o anno (accompagnata solitamente da molte sofferenze e costi elevati) come avviene con le apparecchiature attuali che non sono finalizzate alla diagnosi precoce www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.5.5) Premessa centrale della medicina • Ogni attività biologica è il risultato di reazioni biochimiche ed alla base di ogni fenomeno patologico vi è un difetto biochimico • Uno scopo costante della medicina è perciò quello di identificare l’attività biochimica anormale associata ad una data patologia e di osservare tale anormalità direttamente ed il più presto possibile nell’organismo malato www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.5.6) Obiettivo Tecnico: Studio della migliore tecnologia finalizzata alla diagnosi precoce del cancro, che possa fornire al medico, tramite una Procedura di screening non-Invasiva, informazioni precise simili a quelle che si possono ottenere con un esame istologico (non indicato come screening per la diagnosi precoce) www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.5.7) COERENZA tra gli OBIETTIVI Sociali e gli OBIETTIVI Tecnici Obiettivi Sociali Ridurre sostanzialmente la mortalità prematura da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” Usando una tecnica non-invasiva: sicura per il paziente e economica 140000 120000 cancer 0 45-64 years old www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.5.8) Obiettivi Tecnici Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo, o in altri processi biologici Deve essere in grado di rivelare cellule cancerose ad uno stadio molto precoce in tutto il corpo attraverso lo screening COME SI MANIFESTA IL CANCRO? www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.6.0) Le cellule cancerose si differenziano da quelle sane in base a diversi segnali che forniscono informazioni sul loro mutamento. Tali segnali si riferiscono a cambiamenti di: odore, temperatura, densita’ dei tessuti, fluorescenza, metabolismo, perfusione, ecc. Tra tutti questi segnali quello piu’ attendibile e utile per stabilire una diagnosi precoce, al fine di ridurre i “falsi positivi” e i “falsi negativi”, e’ il cambiamento di metabolismo che fornisce informazioni a livello molecolare www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.6.1) Obiettivo Sociale Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” Obiettivo Tecnico Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici Le cellule Cancerose sono diverse in base a: • temperatura • densità (anatomia, forma) • metabolismo (consumo di nutrimento) Le apparecchiature diagnostiche misurano ciascuna di queste proprietà www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.6.2) Obiettivo Sociale Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” Obiettivo Tecnico Densità (Anatomia) Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici • alcuni tipi di cancro si sviluppano senza cambiare densità • sono necessarie molte cellule prima che il cancro possa essere diagnosticato con le apparecchiature attuali (ci sono circa 1 miliardo di cellule in 1 cm3) Il Cancro NON PUO’ ESSERE diagnosticato ad uno stadio precoce basandosi su cambiamenti di densità www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.6.3) QUAL E’ LA TECNICA MIGLIORE PER IDENTIFICARE LE MUTAZIONI DELLE CELLULE (DIAGNOSI PRECOCE)? www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.7.0) Tra tutte le tecniche che rilevano segnali generati dai cambiamenti dovuti alla mutazione in cellule cancerose (odore, temperatura, ecc.), la tecnica che fornisce i segnali migliori e’ quella che misura il cambiamento di metabolismo a livello molecolare (sebbene in multimodalita’ con altre). Tale tecnica, chiamata ‘tecnologia ad emissione di positroni’ cattura e conta nell’unita’ di tempo i segnali provenienti dal tracciante radioattivo posizionato sulle molecole del nutrimento alle cellule del corpo. Dal momento che le cellule cancerose si nutrono fino a 70 volte rispetto alle cellule normali la tecnologia ad emissione di positroni permette di identificare quali cellule (o gruppi di cellule) si nutrono in modo anomalo permettendo di individuare i siti sospetti di cancro. (Al confronto la TAC, i raggi-X, la mammografia e tutte le apparecchiature che misurano la densita’ dei tessuti sono molto 3 meno attendibili in quanto 1 cm di tessuto contiene gia’ circa un miliardo di cellule, davvero troppe. Quando si scopre una massa tumorale di tale dimensione, e’ troppo tardi per poter parlare di diagnosi precoce. Oltretutto bisogna considerare anche che alcuni tipi di cancro si sviluppano senza cambiare densita’). Dopo aver verificato che la tecnologia ad emissione di positroni fornisce i segnali migliori, occorre riconoscere che, con l’attuale Tomografia ad Emissione di Positroni (PET) che utilizza il principio di funzionamento della tecnologia ad emissione di positroni, a causa della sua scarsa efficienza, non e’ possibile stabilire una diagnosi precoce del cancro, perche’ tale PET attuale cattura con misurazioni poco precise solo un segnale su 10.000 provenienti dai marcatori tumorali (e richiede la somministrazione al paziente di una dose radioattiva oltre dieci volte superiore a quella raccomandata per lo screening di pazienti asintomatici dalla Commissione Internazionale per la Protezione dalla Radiazione). www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.7.1) Obiettivo Sociale Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” Obiettivo Tecnico Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici Metabolismo (Processi Biologici) • le cellule cancerose si nutrono fino a 70 volte rispetto alle cellule normali (metabolismo) • poche cellule sono sufficienti per la diagnosi (non 1 miliardo come per la densità) Il Cancro PUO’ ESSERE diagnosticato ad uno stadio precoce basandosi su cambiamenti di metabolismo a livello molecolare www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.7.2) Obiettivo Sociale Tumore (neoplasia) Obiettivo Tecnico Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” 10-5metri cellula (nutrimento) molecole www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.7.3) Tessuto sottostante 10-9metri Obiettivo Sociale Tumore (neoplasia) Obiettivo Tecnico Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” 10-5metri Tessuto sottostante cellula 10-9metri (nutrimento) molecole Positrone www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.7.4) β D 10-18metri Obiettivo Sociale Tumore (neoplasia) Obiettivo Tecnico Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” 10-5metri Tessuto sottostante cellula (nutrimento) molecole Positrone/electrone Fotone (γ) www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.7.5) Fotone (γ) e+ D e- 10-9metri 10-18metri m COME SI PUO’ OTTENERE UNA DIAGNOSI PRECOCE DEL CANCRO? OCCORRE MIGLIORARE L’EFFICIENZA DELLE PET ATTUALI www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.8.0) Tecnologia ad Emissione di Positroni • La tecnica ad emissione di positroni consiste nel somministrare ad un paziente una sostanza (molecole di glucosio, ossigeno, carbonio, ecc.) marcata con un radioisotopo e nel seguirne le vicende all’interno dell’organismo per mezzo di uno strumento (PET) che e’ in grado di rilevare il decadimento del radioisotopo • Tuttavia dopo piu’ di 50 anni dall’invenzione della technologia ad emissione di positroni, i suoi benefici non sono mai stati utilizzati in modo completo perche’ mancava una tecnologia come quella descritta da Crosetto nel libro “400+ times…” e negli articoli scientifici per realizzare un’apparecchiatura 3D-CBS che migliori l’efficenza delle PET attuali piu’ di 400 volte e possa essere utilizzata sui pazienti asintomatici www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.8.1) Obiettivo Sociale Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” Obiettivo Tecnico Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici PET attuale: Tomografia ad Emissione di Positroni E’ un metodo diagnostico non invasivo usato per ottenere informazioni QUALITATIVE sotto forma di immagini imprecise sulla dimensione del tumore • Usato per confermare l’esistenza di una massa sospetta • Richiede un’alta radiazione al paziente • NON PUO’ rivelare un cancro allo stadio precoce perché la massa deve essere grande per poter essere identificata www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.8.2) Obiettivo Sociale Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” Obiettivo Tecnico Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici 3D-CBS (nuova PET): Tecnologia ad Emissione di Positroni E’ un metodo diagnostico non-invasivo usato per ottenere informazioni QUANTITATIVE a livello molecolare circa i processi biologici anomali del corpo. • Usato per rivelare l’esistenza delle primissime cellule cancerose • Non richiede un’elevata radiazione al paziente • PUO’ rivelare il cancro ad uno stadio precoce www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.8.3) Obiettivo Sociale Obiettivo Tecnico Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” Esami con Dose Radioattiva non pericolosa ICRP massima dose ammessa Fonte: 1990 Recommendations of the ICRP p. 46, Table 6; NCRP Report 100; 1989. ICRP 53, publication 80; 1999. 4 viste mammografia 3D-CBS (0.4 mCi - FDG) Raggi-X zona pelvica Dose di radiazione [mrem] www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.8.4) 100 500 1000 Obiettivo Sociale Obiettivo Tecnico Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” Esami con Dose Radioattiva pericolosa ICRP massima dose ammessa Fonte: 1990 Recommendations of the ICRP p. 46, Table 6; NCRP Report 100; 1989. ICRP 53, publication 80; 1999. Med. Nucl. cuore (30 mCi - 99mTc) TAC zona pelvica PET attuali (10 mCi -FDG) Dose di radiazione [mrem] www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.8.5) 100 500 1000 Obiettivo Sociale Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” Obiettivo Tecnico Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici Ragionamento Logico: • La tecnica piu’ affidabile per identificare il cancro ad uno stadio precoce e’ basata sulla misurazione del metabolismo anomalo (perche’ le cellule cancerose si nutrono fino a 70 volte rispetto a quelle normali) • E’ necessario studiare i LIMITI delle PET (Tomografia) attuali ed aumentare sostanzialmente la loro efficienza per poter misurare efficacemente il metabolismo anomalo www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.8.6) Obiettivo Sociale Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” LIMITI DELLE PET ATTUALI Obiettivo Tecnico Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici Questi grafici, pubblicati già nel 2000, sono la dimostrazione dell’esistenza di equivoci e di concetti erronei nella direzione della ricerca che non hanno permesso una sostanziale riduzione della mortalità da cancro. Limiti delle PET attuali: come migliorare l’efficienza Limiti delle PET attuali: dove si perdono i fotoni Le aree di inefficienza delle PET attuali sono nelle Sezioni da 2 a 6. Solo le innovazioni dell’elettronica ed assemblaggio del rilevatore nelle Sezioni 5 e 6 permettono i miglioramenti dell’efficienza in maniera economicamen te vantaggiosa nelle Sezioni 2 e 3. www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.8.7) Obiettivo Sociale Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” Obiettivo Tecnico Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici Le diapositive seguenti illustrano in modo concreto il limite piu’ evidente delle oltre 4.000 PET attuali usate negli ospedali. I limiti delle PET attuali sono stati superati dalla tecnologia innovativa 3D-CBS la cui validita’ e’ stata confermata dall’implementazione in hadware delle parti innovative, realizzata nonostante i limitati fondi disponibili. www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.8.8) PET o PET/CT attuale: Tomografia ad Emissione di Positroni www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.8.9) La PET o PET/CT attuale fornisce immagini ottenute sovrapponendo un puntino sopra l’altro riferiti ad un segnale su 10.000 emessi dal tracciante proveniente dai marcatori tumorali www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.8.10) Obiettivo Sociale Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” Obiettivo Tecnico Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici E’ necessario rivedere la definizione originale della Tecnologia ad Emissione di Positroni • E’ un metodo diagnostico non-invasivo usato per ottenere informazioni QUANTITATIVE a livello molecolare circa i processi biologici anomali del corpo. • E’ importante misurare e contare con precisione in un determinato tempo, il maggior numero possibile di segnali (coppie di fotoni) relazionati ad un processo fisiologico. La PET attuale si focalizza sulla misura di una dimensione, mentre il suo principio di funzionamento e’ basato sulla misurazione del metabolismo (consumo di nutrimento che e’ una misura dinamica nel tempo). Sarebbe come usare uno strumento sbagliato, tipo il metro per misurare un consumo d’acqua. Cerchiamo di capire meglio il concetto con le immagini seguenti. www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.8.11) Uso dello strumento appropriato per una corretta misurazione Per misurare una dimensione usa: Per misurare un flusso o consumo usa: - il metro - l’anemometro - il calibro - il contatore dell’acqua - la TAC - la PET La dimensione è relativa ad una lunghezza standard XV secolo XX secolo www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.8.12) Il flusso è relativo ad un periodo di tempo standard XV secolo XX secolo XXI secolo QUANTIFICAZIONE: Quanta pioggia è precipitata in 6 ore ? NO Fornisce un’immagine ad alta risoluzione (HDTV) e l’utente dovrebbe capire dall’erosione e dai colori quanta pioggia è precipitata www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.8.13) Fornisce un numero che indica quanta pioggia è precipitatain 6 ore QUANTIFICAZIONE: visualizza il metabolismo anomalo La PET attuale (in 40 minuti) Il 3D-CBS (in 4 minuti) 86 35 NO Cattura 1 fotone ogni 10.000 www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.8.14) Cattura 1 fotone ogni 25 Obiettivo Sociale Obiettivo Tecnico Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” E’ necessario Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici RIDEFINIRE il ruolo della PET attuale come strumento finalizzato alla misurazione del metabolismo focalizandosi sulla sensibilita’ anziche’ sulla dimensione. Occorre quindi aumentarne notevolmente l’EFFICIENZA delle PET attuali per ottenere una diagnosi precisa e precoce del cancro www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.8.15) DESCRIZIONE DEL PROBLEMA DI FONDO RELATIVO ALL’AUMENTO DELL’EFFICIENZA www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.9.0) Il problema di fondo, relativo all’aumento dell’efficienza, da risolvere nella Fisica delle Particelle, consisteva nell’impossibilita’ di effettuare misurazioni precise su TUTTI i dati relativi alla radiazione (chiamati eventi) che arrivano ad alta velocita’ dai rivelatori (eventi che sono il risultato di milioni di collisioni tra particelle generate da acceleratori, quali ad esempio il collider LHC del CERN) per poter distinguere gli eventi portatori di informazioni valide da quelli privi di informazioni utili, considerati unicamente come rumore di fondo. Occorre tener presente, ad esempio, che, ai rivelatori dell’LHC, si possono verificare fino a 600 miliardi di eventi al secondo. Se fossero tutti salvati, per poter essere analizzati in un tempo successivo, riempirebbero l’hard-drive di tutto il pianeta in un solo giorno. Pertanto, di fronte alla necessita’ di analizzarli tutti in tempo reale e' stato necessario creare un dispositivo (trigger) in grado di selezionare e salvare in tempo reale circa cento eventi al secondo tra quelli che presentano le caratteristiche migliori (questo numero di eventi da salvare sul disco, calcolato dai fisici teorici, ha una relazione in HEP col parametro chiamato “occupanza” che varia per ogni specifico esperimento, mentre nella Diagnostica Medica e’ determinato dalla massima dose di radiazione che si intende somministrare al paziente). Un problema simile si riscontra anche nel campo della diagnostica medica. Anche per quanto riguarda la tecnologia ad emissione di positroni e’ necessario sostenere l’alta velocita’ di milioni di eventi al secondo provenienti dal corpo del paziente a cui e’ stata somministrata una dose radioattiva, utilizzando un dispositivo in grado di analizzarli tutti in modo preciso e in tempo reale per selezionare solo quelli validi provenienti dai marcatori tumorali, escludendo gli “scattered events”, “randoms”, “multiple events” ed il cosiddetto rumore di fondo. In definitiva il problema da risolvere presentava due aspetti: 1. Sostenere l’alta velocita’ dei dati in ingresso per sfruttare al massimo le informazioni provenienti dalla radiazione 2. Eseguire un’analisi precisa dei segnali per selezionare tutti quelli che contengono informazioni valide I due aspetti del problema erano legati all’efficienza del sistema di rilevamento delle particelle. La loro soluzione e’ molto piu’ importante per la Diagnostica Medica che non per la Fisica delle Particelle, perche’, nel secondo caso, un’eventuale lacuna nell’efficienza comporta un ritardo nella scoperta di nuove particelle con un dispendio maggiore di risorse, mentre ben piu’ grave e’ la lacuna nell’efficienza delle apparecchiature diagnostiche mediche, in quanto non solo comporta un dispendio maggiore di risorse (maggior costo per la Sanita’) ma richiede la somministrazione di un’alta dose radioattiva, pericolosa per il paziente e non fornisce la sensibilita’ necessaria per diagnosticare il cancro allo stadio precoce, in grado anche di ridurre i “Falsi Positivi” e i “Falsi Negativi”. www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.9.1) Esempi di riconstruzione grafica degli eventi relativi alla radiazione (traettorie percorse dalle particelle o fotoni) registrate dai rivelatori utilizzati in esperimenti di Fisica delle Alte Energie nell’ambito della Fisica delle Particelle che sono simili ai rivelatori utilizzati nella PET. www.crosettofoundation.org - Percorso A: Analisi del problema (A.9.2) LA SOLUZIONE DEL PROBLEMA DI FONDO: L’INVENZIONE DI CROSETTO RELATIVA AL TRIGGER www.crosettofoundation.org - Percorso B: invenzione di fondo (B.10.0) Nel 1992 Crosetto ha presentato la sua tecnologia innovativa programmabile 3D-Flow alla comunita’ scientifica in due conferenze internazionali, tenute una in Europa ed una negli Stati Uniti. Il suo approccio innovativo e’ stato descritto e confrontato con altri approcci finalizzati ad ottenere un trigger efficiente e il risultato di tale confronto e’ deducibile dall’analisi degli articoli scientifici riportati nei due libri relativi alle conferenze sopra citate. Dall’analisi dell’approccio di Crosetto risulta che le sue innovazioni permettono di ottenere un trigger di primo livello notevolmente piu’ efficiente rispetto agli altri approcci, in grado di scoprire nuove particelle, compreso l’Higgs Boson. Risulta chiaramente che la tecnologia di Crosetto, oltre ai notevoli vantaggi conseguiti nel superamento della barriera costituita dall’impossibilita’ di eseguire algoritmi complessi in tempo reale e dall’impossibilita’ di sostenere dati in ingresso ad una velocita’ molto elevata, e’ l’unica (date le caratteristiche di programmabilita’, modularita’ e scalabilita’ del sistema 3D-Flow, nonche’ di realizazione indipendente dalla tecnologia utilizzata), oltre a permettere di scoprire in modo efficiente nuove particelle, in grado di risolvere i problemi del trigger di primo livello in esperimenti diversi (fino a soddisfare le richieste piu’ esigenti dovute all’aumento in luminosita’ dell’LHC nel futuro 2015), mentre gli altri approcci si limitavano alla risoluzione dei problemi del trigger nell’unico esperimento per cui erano stati studiati (con la necessita’ di riprogettazione per soddisfare l’aumento di luminosita’ dell’LHC o di altre esigenze future in altri esperimenti). Inoltre la tecnologia innovativa di Crosetto, allo stesso tempo, apriva un nuovo capitolo nella diagnostica medica finalizzata alla diagnosi precoce del cancro. Il 14 dicembre 1993, su richiesta del Direttore del Superconducting Super Collider, nonche’ Direttore del FERMIlab, e’ stata condotta una revisione scientifica dell’invenzione del sistema di trigger di primo livello programmabile 3D-Flow di Crosetto alla presenza di centinaia di scienziati ed esperti nel settore, appartenenti al FERMIlab, al CERN e al mondo accademico e industriale. Nel rapporto finale, la commissione internazionale dei revisori riuniti al FERMIlab riporta: “La commissione trova questo progetto interessante e concettualmente unico [innovativo]…” , “Ritiene che potra’ funzionare per la calorimetria [sinonimo di rivelatore PET]… non vede nessuna ragione tecnica per cui il processore ASIC [3D-Flow] proposto non possa essere costruito approssimativamente in un anno” [infatti, per mancanza di fondi, e’ stato costruito da Crosetto in FPGA, (cioe’ in versione economica) in meno di un anno] ”L’opinione generale e’ che potrebbe avere dei costi competitivi”. A conferma di quanto espresso nel rapporto della commissione del 1993, si puo’ evidenziare che, ad esempio, il sistema di trigger dell’esperimento CMS dell’LHC, e’ costato 15 milioni di euro, mentre, se fosse stata adottata la soluzione del sistema 3D-Flow programmabile, sarebbe costato molto meno. Infatti, la fattibilita’ del sistema 3D-Flow programmabile e’ stata dimostrata dalla costruzione della scheda modulare, che, in una produzione di serie, avrebbe un costo unitario di soli circa 3.000 euro. Il sistema 3D-Flow programmabile, modulare, scalabile, tecnologicamente indipendente di Crosetto realizzabile in schede IBM PC, VME o altre schede con dimensioni maggiori puo’ soddisfare le esigneze non solo dell’esperimento CMS ma di qualsiasi esperimento, di qualsiasi dimensione, anche per le quelle piu’ stringenti dettate dall’aumento della luminosita’ all’LHC in futuro. www.crosettofoundation.org - Percorso B: invenzione di fondo (B.10.1) Ancora riguardo ai costi, il rapporto si e’ cosi’ espresso: “La commissione e’ rimasta colpita dal lavoro gia’ completato essenzialmente dall’operato di una singola persona”. Questa affermazione del 1993 e’ stata ulteriormente confermata nel rapporto finale della revisione scientifica di Dallas del 2003, dove e’ emerso che praticamente, dall’operato di una singola persona, Crosetto, con un budget di appena $40.000 (realizzato con risparmi personali e con l’aiuto di amici) ha sviluppato, progettando, costruendo e collaudando in circa dieci mesi, un sistema di trigger programmabile 3D-Flow adatto per il trigger della fisica delle alte energie e per la tecnologia ad emissione di positroni nella diagnostica medica. Tale sistema ha funzionato alla prima realizzazione dell’hardware, sebbene presentasse problemi non semplici di connessione di oltre 20.000 punti di contatto, distribuiti su otto strati di una scheda con dimensioni IBM PC. Si puo’ sottolineare che questi $40.000, spesi per lo sviluppo del sistema a schede modulari 3D-Flow condotto da Crosetto, sono poca cosa paragonati ai costi della ricerca e sviluppo dei diversi triggers utilizzati in HEP dal 1993, anche limitatamente ai soli esperimenti dell’LHC. Tali costi, comprensivi del costo del materiale, di dodici workshop internazionali sull’elettronica per l’LHC e degli stipendi di migliaia di fisici, ingegneri, e tecnici a partire dal 1995, per piu’ di dodici anni (periodo in cui sono stati sviluppati i diversi sistemi di trigger per l’LHC, ciascuno finalizzato al proprio esperimento e non adatto ad eseguire l’algoritmo di trigger di altri esperimenti) ammontano a centinaia di milioni di euro. Si e’ registrato un costo di sviluppo all’incirca 10.000 volte superiore a quello sostenuto da Crosetto. Oltretutto per un sistema meno efficiente nello scoprire nuove particelle e non adatto a soddisfare le esigenze degli esperimenti del futuro, quando la luminosita’ dell’LHC sara’ aumentata nel 2015. Il rapporto della commissione del 1993 continua: “date queste nuove funzionalita’, i fisici sperimentali probabilmente potranno pensare ad usi intelligenti che prima non erano possibili. Un trigger migliore al primo livello ridurra’ i dati al secondo livello [che] potrebbe essere sostituito da molti calcolatori (“farm”). A questo punto sara’ possibile che questa “farm” di calcolatori possa essere la medesima che elabora completamente i dati degli eventi prima di salvarli sul disco.” In altre parole, l’invenzione di Crosetto ha creato una rivoluzione nel sistema di trigger della Fisica delle Alte Energie rendendo obsoleto l’attuale approccio che prevede ‘Tre Livelli di Trigger’ ed anche nelle applicazioni della Diagnostica Medica, in quanto ha reso possibile ‘la diagnosi precoce’ del cancro e ‘la riduzione della radiazione’ somministrata ai pazienti. L’innovazione di Crosetto e’ stata riconosciuta valida ed adottata nell’aprile 1993 da centinaia di scienziati all’esperimento GEM (da mezzo miliardo di dollari) all’SSC. (L’invenzione, comune sia alla Fisica delle particelle che alla Fisica Medica, e’ spiegata ad un pubblico generico per mezzo di un’analogia riportata in forma di testo a pagina 26 dell'articolo presentato ad Erice il 23/08/08 e in forma video sul sito www.crosettofoundation.org). La medesima spiegazione per gli addetti ai lavori e’ contenuta a pagina 15 dell'articolo e animazione presentati all’Universita’ di Ginevra alla presenza di molti scienziati del CERN (vedi sito www.crosettofoundation.com/uploads/100.pdf). Il sistema completo del trigger con l’architettura innovativa 3D-Flow per esperimenti di alte energie e’ descritto in un articolo di 45 pagine approvato da peer review e pubblicato su Nuclear Instruments and Methods in Physics Research – Sec. A, vol. 436 (1999), pp. 341-385. www.crosettofoundation.org - Percorso B: invenzione di fondo (B.10.2) Illustrazione di uno dei concetti innovativi che permette di sostenere un’alta velocità dei dati in ingresso e di analizzare con precisione le informazioni ricevute Input ogni 6 secondi Il grafico illustra come il sistema 3D-Flow a processori-paralleli (matrice) permette un tempo di processamento dei dati in uno stadio della “pipeline” (sequenza di operazioni) più lungo dell’intervallo di tempo tra due pacchetti di dati consecutivi in ingresso. Stadio (1d) Dati processati per 30 secondi 1 s Quindi avremo: 30/6 = 5). Una Unita’ Logica 3D-Flow e’ simboleggiato nella figura con tre funzioni: a) un “bypass switch”, cioe’ un interruttore per il passaggio dei dati, indicato da una freccia racchiusa dentro un rettangolo, b) un “bypass register”, cioe’ un registro di uscita, indicato dal rettangolo a destra della freccia e c) una CPU o unità di processo, indicata dal rettangolo sotto la freccia. 4t 5t 6t 7t 1 1 1 1 6 9t 6 11t 12t 13t 14t Reg (2d) Proc (3d) Reg (3d) Proc (4d) Reg (4d) Proc (5d) 6 6 6 11 11 i3 i4 i5 r1 i7 i8 i9 i10 r6 i12 “Bypass Register” CPU o Processore 4 sec i3 1 0 sec 1 s 4 sec i4 2 sec 1 s 4 sec i3 2 2 sec 7t 2 2 sec 1 Reg (5d) i2 “3D-Flow” 4 sec 2 2 sec 5t 1 8t 10t Proc (2d) 1 1 6t Reg (1d) 4 sec i5 1 2 sec 2 2 2 7 7 7 7 7 0 sec 4 sec i4 2 1 s 2 2 Output ogni 6 secondi Stadio (5d) “Bypass Switch” Un “bypass switch” invia un pacchetto di dati alla sua CPU e trasferisce quattro pacchetti di dati alle CPU degli stadi successivi a destra nella figura. Proc (1d) Stadio (4d) 1 s 2 sec 4t Nell’esempio illustrato il tempo di esecuzione dell’algoritmo e’ di 30 secondi e l’intervallo di tempo che intercorre tra due dati consecutivi in ingresso e’ di 6 secondi. 3t Stadio (3d) 0 sec 3t Nell’esempio, un circuito identico (il processore 3D-Flow) e’ replicato 5 volte nel sistema 3D-Flow a processori-parelleli (Il numero di volte in cui il circuito e’ replicato corrisponde al rapporto tra il tempo massimo di esecuzione dell’algoritmo e l’intervallo di tempo che intercorre tra due dati consecutivi in ingresso. Time Stadio (2d) 3 1 s i3 i4 i5 r1 r2 i8 i9 i10 r6 8t 3 3 3 3 3 8 8 8 i4 i5 r1 r2 r3 i9 i10 4 4 4 4 4 9 1 s 6 0 sec r1 4 sec i5 2 sec 4 sec r1 2 sec 4 sec i4 3 2 i5 r1 r2 r3 r4 2 sec 5 r1 5 5 5 9t 6 Nella prima colonna a sinistra della tabella compare il tempo di clock “t”. I numeri che si trovano nelle colonne della tabella (Proc (1d), Proc (2d), Proc (3d), Proc (4d), Proc (5d)) rappresentano i pacchetti dei dati che sono elaborati dal processore 3D-Flow in quell’istante nello stadio specifico. 2 4 sec i8 2 sec 6 1 s Occorre notare che il pacchetto di dati No. 1 rimane nel processore del primo stadio per cinque cicli, mentre i prossimi quattro pacchetti di dati in arrivo (i2, i3, i4 e i5) vengono passati oltre (dal “bypass switch” –interruttore per il passaggio dei dati-) al prossimo stadio. Ad esempio, al clock 14t, mentre la stazione 4d riceve il pacchetto di dati No. 9, allo stesso tempo invia in uscita i risultati r4 dell’elaborazione precedente. Questo r4 viene poi trasferito all’uscita del sistema 3D-Flow senza essere processato in altre stadi. Si puo’ osservare che i dati in ingresso ed i risultati nel sistema pipeline sono intercalati in modo tale che a sinistra ci sono solo dati in ingresso, a destra solo risultati ed al centro sono intervallati e aumenta il numero di risultati verso l’uscita. 4 sec i9 2 sec 11t 6 I numeri che si trovano nelle colonne della tabella (Reg (1d), (Reg (2d), (Reg (3d), (Reg (4d), (Reg (5d)) indicati come ix e rx sono rispettivamente i dati di ingresso e i risultati che scorrono da registro a registro nella catena di pipeline verso il punto di uscita, senza passare attraverso altri processori . Il risultato di un processore non potra’ mai diventare un dato in ingresso ad un altro processore situato in una stazione successiva (come lo e’ invece in un sistema pipeline standard), ma sara’ traferito al prossimo stadio senza essere ulteriormente processato. Dario Crosetto Sala Samonà, Padova 5-14 giugno 2009 4 sec i5 3 0 sec 1 s r2 I La figura illustra la sequenza dei pacchetti di dati in tempi diversi nella pipeline. Un pacchetto di dati contiene le informazioni ricevute in un determinato istante da un “canale elettronico” del rivelatore del 3D-CBS. Ogni pacchetto di dati in ingresso rimane in un processore 3D-Flow per una durata di tempo che e’ equivalente a circa cinque volte l’intervallo di tempo tra un dato ed il successivo. 2 sec 4 sec i7 4 1 s r3 10t www.crosettofoundation.org - Percorso B: invenzione di fondo (B.10.3) 2 sec 1 s 13t 4 sec 10 6 1 s 11 Input ogni 6 secondi 2 sec 14t Dati processati per 30 11 2 sec 0 sec r2 2 sec 4 sec i8 2 sec 3 1 s 3 7 2 sec 12t 7 2 sec 4 sec i9 7 0 sec r6 2 sec 1 s 4 sec 10 7 1 s 8 2 sec 4 sec r1 2 sec 4 sec r2 2 sec 4 sec i5 4 4 sec r1 4 0 sec r3 2 sec 4 sec i9 2 sec 4 1 s 4 8 0 sec 5 1 s 4 sec r2 2 sec 4 sec r3 2 sec 5 5 Bypass switch Bypass switch P E PE 4 sec i12 2 sec 7 4 sec r6 2 sec 8 4 sec i10 1 s 9 0 sec r4 1 s 1 s 4 sec r1 4 sec r2 Output ogni 6 secondi 2 sec 5 “Bypass Register” 4 sec r3 CPU o Processore Che cos’e’ il Trigger di Primo-Livello utilizzato negli esperimenti di Fisica delle Alte Energie (HEP)? E’ una “unita’ decisionale” con la capacita’ di analizzare in modo selettivo e veloce (qualche centinaia di nanosecondi) tutti i segnali provenienti ad altissima velocita’ da migliaia di canali elettronici riconoscendo i segnali “validi” relativi a caratteristiche precise delle particelle, separandoli efficacemente dal rumore. Per esempio e’ simile ad un’apparecchiatura con la capacita’ di riconoscere un dettaglio particolare, che si presenta in modo poco frequente in un fotogramma appartenente ad una sequenza di fotogrammi forniti ad una telecamera speciale che non ne riceve 24 al secondo, bensi’ 40 milioni al secondo che non possono essere registrati tutti, ma e’ possibile salvare solo quelli che presentano il dettaglio particolare che si presenta in modo poco frequente. www.crosettofoundation.org - Percorso B: invenzione di fondo (B.10.4) Domanda da porre ai Fisici delle Particelle come era stata posta al Presidente e ai dirigenti della Medicina Nucleare della Siemens nel 2002: “Con l’innovazione di Crosetto puo’ essere migliorata sostanzialmente l’efficienza nell’identificazione delle particelle (intesa come capacita’ di selezionare particelle attraverso l’esecuzione in tempo reale di algoritmi complessi) con una riduzione del costo per ogni segnale valido catturato negli attuali sistemi di Trigger di Primo-Livello utilizzati negli esperimenti su LHC, soddisfacendo anche le esigenze di aumentata luminosita’ prevista per il 2013? Le illustrazioni che seguono rispondono a tale domanda. www.crosettofoundation.org - Percorso B: invenzione di fondo (B.10.5) Invenzione di Crosetto presentata nel 1992 a due conferenze in Europa e U.S.A. 1992 Annecy, France Sept. 21-25 Approccio innovativo di Crosetto Lavorando da una prospettiva “al di fuori degli schemi” nell’ambito della collaborazione GEM-SSC, Crosetto ha progettato un Trigger di Primo-Livello con l’approccio “3D-Flow” che permette di eseguire in tempo reale algoritmi complessi per TUTTI gli esperimenti (anche per le PET) Il sistema di Trigger 3D-Flow e’ programmabile, realizzabile con qualsiasi tecnologia (sia lenta che veloce): puo’ eseguire algoritmi complessi che non ammettono interruzione, con la capacita’ di correlazione i dati con quelli dei processori adiacenti, per un tempo piu’ lungo rispetto all’intervallo di tempo che intercorre tra due dati consecutivi in ingresso, permettendo di ottimizzare il rapporto costi/prestazioni anche relativamente a qualsiasi nuova tecnologia che sara’ disponibile in futuro. Corpus Christi, TX, Sept. 29, Oct. 2 www.crosettofoundation.org - Percorso B: invenzione di fondo (B.10.6) Altri approcci non programmabili I Trigger di Primo-Livello specifici per gli esperimenti Atlas, SDC, CMS, etc. erano stati presentati da altri autori alle medesime conferenze (Annecy e Corpus Christi). Essi proponevano un tipo di logica cablata, nessuna flessibilita’ nell’esecuzione degli algoritmi dovuta alla mancanza di programmabilita’ e dovuta alla rigidita’ imposta dalla scelta del cablaggio dal il rivelatore e l’elettronica. L’algoritmo di Trigger di PrimoLivello per Atlas eseguito in 7 passi non programmabili realizzati in un ASIC Confronto tra il sistema di Trigger di Crosetto e gli altri sistemi, finalizzati ognuno ad un esperimento specifico Trigger di Crosetto 1993 Aprile ‘93 – il sistema 3D-Flow e’ stato adottato da centinaia di scienziati della collaborazione GEMSSC e incluso nel TDR Unicita’ del sistema 3D-Flow che permette grande flessibilita’ e potenza di calcolo: 1. Connessione uno-a-uno tra una “trigger tower”, tra le varie che compongono la matrice del rivelatore e il canale elettronico che si trova nella posizione equivalente nella matrice del 3D-Flow. 2. Possibilita’ di scambiare dati con canali elettronici adiacenti, senza limiti dovuti alla dimensione della matrice Ottobre ‘93 – L’intero progetto SSC e’ stato cancellato www.crosettofoundation.org - Percorso B: invenzione di fondo (B.10.7) Altri Trigger Nessuna flessibilita’ e I limiti nell’esecuzione di algoritmi complessi sono dovuti a: 1. Connessione con configurazione rigida a forma di inbuto (fanout) tra il rivelatore ed il sistema elettronico. 2. Limitata possibilita’ di scambiare dati con canali elettronici adiacenti. Algoritmo fisso dell’esperimemnto CMS basato su di un collegamento a configurazione rigida ad imbuto tra l’elettronica e il rivelatore. Algoritmo fisso dell’esperimemnto Atlas basato su di un collegamento a configurazione rigida ad imbuto tra l’elettronica e il rivelatore. 1995 Il sistema 3D-Flow e’ stato adottato da centinaia di scienziati nell’esperimento LHCb al CERN ed incluso nel LHCb Letter of intent (LOI) Il sistema di Trigger 3D-Flow per LHCb e’ stato descritto da Crosetto in un articolo di 45 pagine pubblicato su una fra le riviste scientifiche “peer review” piu’ prestigiose: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 1998 Il sistema 3D-Flow e’ stato incluso nel Technical Design Report (TDR) di LHCb 1999 Sfortunatamente anche questa volta, indipendentemente dal valore scientifico il Dipartimento dell’Energia USA ha deciso di non finanziare nessuna universita’ americana o ricercatore per l’esperimento LHCb, quindi Crosetto si e’ trovato costretto a bloccare l’attivita’ di ricerca. www.crosettofoundation.org - Percorso B: invenzione di fondo (B.10.8) 1999 Nov. ‘99 – L’Articolo N1418 presentato alla Conferenza IEEE-NSS-MIC in Seattle (WA) descrive i vantaggi riferiti alla connettivita’ sul backplane dell’approccio di Crosetto rispetto agli approcci tradizionali. Semplificazione dei problemi di conessione con l’approccio di Crosetto Dimostrazione che la connettivita’ NorthEast-West_South del sistema 3D-Flow e’ piu’ semplice rispetto al grande “fanout” (imbuto) presente nella connettivita’ del “backplane” riferito al trigger usato nell’esperimento CMS 2000 Giugno ‘00 – Pubblicazione del primo libro technical-scientific di Crosetto sull’argomento di screening del cancro e diagnosi precoce possibile attraverso la tecnologia innovativa 3D-CBS 400 volte piu’ efficiente rispetto alla PET attuale www.crosettofoundation.org - Percorso B: invenzione di fondo (B.10.9) Notevoli problemi di connessione presenti nell’approccio tradizionale Problematica nella connetivita’ sul backplane riferito al Trigger di Primo-Livello utilizzato per l’esperimento CMS. Architettura a Processori-Paralleli 3D-Flow (Lo schema logico tri-dimensionale sulla destra e’ convertito in una scheda a due-dimensioni. Si possono implementare sistemi di qualsiasi dimensione usando diverse schede e chasis) North Architettura (processore e sistema) Modularita’ (“Unita’ Logica,” il 3D-Flow PE e’ duplicato diverse volte -- in un chip, in una scheda o in un sistema) Alta connettivita’ A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 Time In-Data Layer A Frame A1 Frame A2 Frame A3 Frame B1 Frame B2 Frame B3 Layer B Frame C1 Frame C2 Frame C3 Layer C Frame D1 Frame D2 Layer D Out-Results A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 “Unita’ Logica” = 3D-Flow Bottom West East Top Layer D Layer C South Layer B Layer A 4 x 3D-Flow = 1 FPGA (4 processori sono implementati in ogni singolo circuito integrato) Stack o matrice tri-dimensionale www.crosettofoundation.org - Percorso B: invenzione di fondo (B.10.10) Strumenti software per creare e simulare un sistema 3D-Flow per HEP e PET Algo_3 Algo_2 Algo_1 > TH_1 HIT MAX OR β Calculate center of gravity Check energy value Determine event type T2 Coincidence determination (T1-T2)< 8 ns β T1 Algo_n OR Center of gravity A+C x = A+B+C+D A+B y= A+B+C+D AB CD > TH_2 PET (SPECT) Detector Electron/positron annihilation β Algorithm γ ann. Photon 3D-Flow SYSTEM γ ann. Photon - 20 million frames/sec - Each input channel (or pixel), up to 16bit resolution (within 8 ns) ID &Time-stamp y x T E I T II P H E I T T E II E HP E H I TH I T E H I H P H T H I P I T P P P P P E β Equal Time Insert E P H I H E TT II TT E I T I P T Results from Algorithm Unrelated Event Event positioning (calculate distance “event-sensors”) - ID - time - distance to sensor Randoms Create/Start Simulation Task Pipelining www.crosettofoundation.org - Percorso B: invenzione di fondo (B.10.11) I P T Coincidence determination I Zeros or noise >99% Input DATA from Sensors I P T Display or Film La soluzione del problema di fondo relativa al trigger, messa a punto da Crosetto ha aperto la strada a nuove invenzioni nel campo della diagnostica medica www.crosettofoundation.org - Percorso B: invenzione di fondo (B.10.12) LA SOLUZIONE 3D-CBS: LE ULTERIORI INVENZIONI DI CROSETTO RELATIVE ALLA DIAGNOSI PRECOCE DEL CANCRO www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.11.0) L’invenzione di Crosetto relativa al Trigger ha risolto i due aspetti dell’enorme problema di fondo fino ad allora ritenuto insolvibile sia per quanto riguarda la Fisica delle Particelle che per la Diagnostica Medica relativo all’aumento dell’efficienza. Ora finalmente e’ possibile sfruttare al massimo TUTTE le informazioni provenienti dalla radiazione. Tale invenzione ha aperto le porte a numerose altre invenzioni, sia ad invenzioni derivate direttamente dalla prima invenzione relativa al trigger, sia ad invenzioni indipendenti. Nel campo della diagnostica medica tali nuove innovazioni hanno toccato diversi aspetti tecnologici riferiti alla meccanica, alla geometria del rivelatore (allungamento del rivelatore), all’assemblaggio semplificato dei rivelatori, all’accoppiamento del sistema dei rivelatori con il sistema elettronico, all’esecuzione di algoritmi in tempo reale per identificare i fotoni, ecc. Scendendo maggiormente nei particolari tali innovazioni hanno riguardato cinque aree principali: 1. Allungamento del rivelatore –aumento del Field of View (FOV)- reso possibile grazie ad altre innovazioni che hanno permesso di utilizzare cristalli piu’ economici senza aumentare eccessivamente il costo dell’apparecchiatura 2. Miglioramento e semplificazione dell’assemblaggio del rivelatore 3. Innovazione nell’elettronica che ha permesso altre innovazioni: a. Individuazione precisa del punto di impatto di tutti i fotoni compresi quelli obliqui e misurazione b. della loro energia c. Riduzione del numero dei canali elettronici d. Semplificazione del metodo di identificazione degli eventi in coincidenza temporale 4. Possibilita’ di eseguire algoritmi piu’ precisi per l’identificazione dei fotoni 5. Innovazione nella visualizzazione delle informazioni ottenute www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.11.1) continua… La sinergia di tutte queste invenzioni ha determinato il raggiungimento dell’obiettivo di catturare con maggior precisione il maggior numero possibile di segnali provenienti dai marcatori tumorali ad un costo inferiore per ogni segnale catturato, fornendo al medico misure piu’ precise relative a cinque parametri essenziali che rendono possibile la diagnosi precoce del cancro permettendo di ridurre i “falsi positivi”, e i “falsi negativi”, insieme alla riduzione del costo dell’esame. I cinque parametri in questione sono: 1. Misurazione precisa dell’energia totale del fotone che permette di discriminare eventi validi da eventi "scattered" 2. Misurazione precisa del tempo di arrivo del fotone che permette di discriminare eventi validi da eventi “randoms e multipli” 3. Misurazione precisa della risoluzione spaziale riferita alla coordinata "x" (distanza nella direzione assiale dell’impatto del fotone sulla superficie del cristallo), 4. Misurazione precisa della risoluzione spaziale riferita alla coordinata "y" (distanza nella direzione a 90° rispetto alla direzione assiale dell’impatto del fotone sulla superficie del cristallo) 5. Misurazione precisa della profondita’ dell’interazione (DOI) del fotone con il cristallo, atta ad eliminare l’errore di parallasse. Queste ulteriori invenzioni relative alla Diagnostica Medica sono riassunte a pagina 2 dell’articolo "3-D Complete Body Screening (3D-CBS)" e sono state riconosciute da parte di diverse revisioni scientifiche internazionali. (Vedi video e rapporto finale da parte della commissione esaminatrice della revisione scientifica internazionale di Dallas del 1 luglio 2003. Vedi video parte I, parte II, parte III, parte IV, parte V ed il rapporto (questionario firmato da ciascun membro della commissione) da parte della commissione esaminatrice della revisione scientifica internazionale del 23 giugno 2008 a Roma). Per una semplice descrizione della tecnologia ad emissione di positrone e i relativi meriti clicca su questo documento di tre pagine. Le differenze sostanziali tra il 3D-CBS oltre 400 volte piu' efficiente delle PET attuali sono descritte in modo semplice in questo poster. I vantaggi principali dovuti alle invenzioni di Crosetto sono: 1. rivelazione precisa del minimo metabolismo anomalo che permette di stabilire la diagnosi precoce del cancro 2. notevole riduzione della radiazione somministrata al paziente ad un livello inferiore a 1 mSv 3. riduzione del costo dell'esame e delle spese sanitarie in ambito oncologico, per la possibilita’ di diagnosticare e trattare precocemente, in modo radicale molte forme tumorali. Per una descrizione piu’ dettagliata dei vantaggi fare riferimento alle pubblicazioni elencate a: www.crosettofoundation.org/uploads/167.it.pdf. www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.11.2) DESCRIZIONE DELLA TECNOLOGIA Obiettivo Sociale Obiettivo Tecnico Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” 3D-CBS Sorgente raggi-X 60-120 keV Anatomico (TAC) Misura la densità dei tessuti, visualizzando i cambiamenti morfologici Trasmissione www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.11.3) Funzionale (PET) Nucleo Visualizza i processi biologici aγ-ray livello molecolare 511 keV Emissione β+ .- e γ-ray 511 keV annichilazione Innovazioni (dobbiamo sostituire la tecnologia in rosso con le innovazioni nella colonna verde) www.crosettofoundation.org Percorso B: altre invenzioni (B.11.4) Xm DOI CALCOLO D E L C E N T R O I D E Ym Sistema della PET attuale - Limiti dovuti all’impossibilita’ di condividere la luce dei fotoni con fotomoltiplicatori al di fuori del “block detector” PMT rotondi o quadrati Xm A B Fotoni persi - Nessun limite di condivisione della luce dei fotoni - Nessuna duplicazione degli eventi (local maxima) Ym C D Ym Xm= Ym= (A+B) - (C+D) A+B+C+D (B+D) - (A+C) A+B+C+D noise noise 50 150 Xm (3x3)= (NW+W+SW) – (NE+E+SE) NW+W+SW+NE+E+SE Ym (SW+S+SE) – (NW+N+NE) SW+S+SE+NW+N+NE (3x3)= noise 50 Sistema 3D-Flow 50 150 [1] Casey, M.; Nutt, R., IEEE TNS, NS-33:760-763, 1996 www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.11.5) [2] Crosetto, D. IEEE, NSS-MIC conf. Rec., vol. 2, pp. 12/78-12/97, 2000 PET attuale: Cattura solo 1 fotone su 10.000 r) 3D-CBS: Cattura 400 fotoni su 10.000 s) NO Vedere l’animazione al sito: www.3d-computing.com/3d-cbs/PET_ani.html www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.11.6) Vantaggi della Tecnologia Innovativa 3D-CBS 3D-CBS (Nuova PET/TAC Tridimensionale) 30-90 minuti per esame 4-minuti per esame Velocità dell’esame $2.000-$4.000 per esame $300-$400 per esame Costo dell’esame 1,100-1,600 mrem ESAME ANNUALE PERICOLOSO NON PROPONIBILE AL PAZIENTE Cattura un fotone ogni 10.000. (Misura la dimensione dei tumori già formati e in stadio avanzato) ESAME ANNUALE NON PERICOLOSO Il medico dovrebbe interpretare il metabolismo anomalo dall’annerimento di uno spot sul monitor 25-45 mrem Cattura un fotone ogni 25 (Misura il minimo metabolismo anomalo) Dose Radioattiva Efficienza Fornisce al medico informazioni quantitative Informazioni al precise Medico relative al minimo metabolismo anomalo (che permette la diagnosi precoce) www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.11.7) Il 3D-CBS offre: PET attuali Permette la diagnosi precoce del cancro Permette lo screening annuale, beneficiando un maggior numero di persone Fornisce Immagini, relative al minimo metabolismo anomalo, più facilmente interpretabili dal medico Altissima sensibiltà Basso costo dell’esame, bassa dose radioattiva Informazioni essenziali al medico, ottenute contando tutti i segnali catturabili dai marcatori tumorali Obiettivo Sociale Ridurre sostanzialmente la mortalita’ da cancro attraverso la “Diagnosi Precoce” RIASSUMENDO: Differenza sostanziale tra la PET attuale e la nuova PET (3D-CBS) Obiettivo Tecnico Rivelare informazioni circa il cambiamento delle cellule del corpo: nella forma, struttura e metabolismo o altri processi biologici L’identificazione del cancro ad uno STADIO PRECOCE e’ possibile grazie ad un notevole aumento in eficienza delle PET attuali www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.11.8) A questo punto nel 2002 Crosetto ha chiesto alle industrie: “E’ possibile aumentare sostanzialmente l’efficienza della PET attuale, riducendo il costo riferito ad ogni segnale catturato, proveninte dai marcatori tumorali?” La Siemens ha risposto: NO! www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.11.9) INCONTRO TRA CROSETTO ED I DIRIGENTI DELLA SIEMENS (tale incontro e’ avvenuto presso l’ufficio di Crosetto a Dallas nel 2002) www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.12.0) www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.12.1) Lei [Crosetto] avrà avuto ragione www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.12.2) www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.12.3) www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.12.4) www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.12.5) PROVE CHE LE RIVENDICAZIONI DELL’INVENTORE SONO FATTIBILI www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.13.0) Schema Logico del 3D-CBS PMTs Identificazione dei Fotoni - Migliora il rapporto segnale-disturbo, - Correlazione con segnali adiacenti - Decodifica la posizione del cristallo Cristallo West Top North hits/sec 1152 (144 x 8) electronic channels (stack of 3D-Flow processors) 1152 detector modules = PMT = electronic channels 200 million - Soppressione degli zeri, - Inserzione MSB ID, - Inserzione MSB Time-Stamp Bottom South Barile srotolato Riduzione dei dati Riduzione dei canali Riduzione dei Canali (16:1) East Layer A Layer B Layer C Layer D Layer E - Trova le coincidenze - Riduzione dei Canali (8:1), - Separazione degli outputs da ID γ-t3 γ-t3 γ-t1 3D-Flow Stack γ-t1 γ-t3 γ-t1 100 million singles/sec γ-t2 γ-t2 γ-t1 72 x 5 chips www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.13.1) 72 chips γ-t2 γ-t2 γ-t1 single γ-t3 γ-t1 Coincidence γ-t2 found Coincidence γ-t1 found Schema Fisico del 3D-CBS www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.13.2) Simulazione Completa del Sistema 3D-Flow (in C++) Event frame: Layer view: Result frame: System summary: Visualization of all input data at layer 0 of the 3D-Flow system in the form of pixels (squares) for each input 3D-Flow system front view (any layer can be displayed) Visualization of all output results at the last layer of the stack in the form of pixels (squares) for each output Information about the 3D-Flow System under study Map: Outline of the 3D-Flow system size, visualizing the position of all processor view windows that are open Log messages Output results: Output results from the realtime algorithm applied to the input data Flow guide: Designer’s tool to facilitate the use of Design Real-Time. Consists of: Output vectors: Bit-Vectors generated for selected PE(s) - CREATE - SIMULATE - SOC-HRates - REAL-TIME MONITOR Plane Vertical view: 3D-Flow PE: 3D-Flow system side view (any layer can be displayed) 3D-Flow Processing Element (any PE can be displayed) (Simulator) www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.13.3) Dimostrazione in hardware del concetto innovativo Layer B Layer A www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.13.4) i2 i3 i4 i5 i6 r1 r2 In-Data Layer A Photo 1 Photo 3 Photo 5 Photo 2 Photo 4 Photo 6 Layer B Out-Results r3 r4 Time Test eseguito per dimostrare la funzionalita’ dell’hardware (La velocita’ di esecuzione e’ stata visualizzata su di un oscilloscopio digitale) Data in input from switches (emulating PMT) Data from switches are equivalent to the electrical signals received from nine PMT Values for PMTs at 20 4 6 2 L M GA Xm Time 0 The external connecntions to the integrated circuit transform 4 input data in a 3x3 array Incident photon MN A C Ym MN A C A C B D Values for PMT at Time 1 20 4 38 2 L M GA MN A C MN A C A C B D www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.13.5) Values for Parallel the 3x3 computation on array the 4 3D-Flow PE Results 20 4 20 6 2 6 20 4 20 E=20+4+20+6+2+ 6+20+4+20=102 2 < 4, 6, 20 Local maxima? NO 4 20 4 2 6 2 4 20 4 E=4+20+4+2+6 +2+4+20+4=68 6 < 20 Local maxima? NO 6 2 6 20 4 20 6 2 6 E=6+2+6+20+4 +20+6+2+6=72 4 < 6, 20 Local maxima? NO 2 6 2 4 20 4 2 6 2 E=2+6+2+4+20 +4+2+6+2=48 20 > 2, 4, 6 20 4 20 38 2 38 20 4 20 E=20+4+20+38+2+ Local 38+20+4+20=166 2 maxima? NO < 4, 20, 38 4 20 4 2 38 2 4 20 4 E=4+20+4+2+38 +2+4+20+4=98 38 > 2, 4, 20 38 2 38 20 4 20 38 2 38 E=38+2+38+20+4+ Local 20+38+2+38=200 4 maxima? NO < 20, 38 2 38 2 4 20 4 2 38 2 E=2+38+2+4+20 +4+2+38+2=112 20 < 38 48 0 0 0 0 0 98 0 Local maxima? NO Ingegnerizzazione del concetto in hardware per costruire un dispositivo industriale per uso clinico La scheda 3D-Flow DAQ-DSP IBM PC per l’identificazione dei fotoni, che e’ il cuore del sistema, consiste in 2.211 componenti, oltre 20.000 punti di contatto, connessi con tracce distribuite solo su 8 strati di circuito stampato. Tale scheda presenta 6 strati di alimentazione e massa. Tale scheda, connessa ad una seconda per formare un sistema espandibile all’infinito, ha funzionato alla prima versione prototipale realizzata. I segnali trasmessi mediante connessioni LVDS forniscono stabilita’ e immunita’ al rumore nel sistema, anche quando molti segnali commutano allo stesso istante. (Allegro) www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.13.6) La realizzazione di tale scheda ha comportato la risoluzione di problemi non banali. L’immagine illustra dettagli realizzativi. Ad esempio, le tracce di connessione in verde trasportano il segnale di clock e sono tutte di lunghezza uguale. www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.13.7) 3D-CBS Dal Comunicato Stampa (www.3d-computing.com/pb/PRItalian.pdf) … usando un insieme di DSP su ciascun canale elettronico... Schema Logico Schema Fisico . ADC . CFD TDC FPGA PMT 3D-Flow q) Scheda 3D-Flow DAQ-DSP vista da un lato Processor Data reduction Channel reduction Executes photon detection algorithm with zero dead-time Scheda 3D-Flow DAQ-DSP vista dall’altro lato Coincidence detection Progetto Simulazione www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.13.8) Implementazione 3D-CBS Dal Comunicato Stampa (www.3d-computing.com/pb/PRItalian.pdf) Schema Logico Progetto … dimostrando la capacita’ di poter scambiare informazioni ricevute da elementi del rivelatore adiacenti... Simulazione www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.13.9) Schema Fisico Implementazione Soluzione del problema del “gantry” per claustrofobici 3D-CBS Dal Comunicato Stampa (www.3d-computing.com/pb/PRItalian.pdf) Schema Logico … quando la lunghezza del rivelatore viene raddoppiata, il numero di fotoni catturabili aumenta di quattro volte... www.crosettofoundation.org - Percorso B: altre invenzioni (B.13.10) Schema Fisico RICONOSCIMENTO ALL’INVENZIONE E MANCATI BENEFICI AI PAZIENTI www.crosettofoundation.org - Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.14.0) Successi relativi all’invenzione: Tra i numerosi casi di successo sono riportati i piu’ significativi: • Superamento della revisione scientifica internazionale del 14 dicembre 1993 al FERMI National Laboratory (U.S.A.) • Superamento del confronto tra l’inventore e gli scienziati del CERN al seminario all’Universita’ di Ginevra nel 2001 • Superamento della revisione scientifica internazionale del 1 luglio 2003 a Dallas (TX) • Dimostrazione di fattibilita’ e di funzionamento in hardware del concetto innovativo di Crosetto ritenuto non fattibile da molti revisori. (Tale concetto e’ stato reso comprensibile persino a studenti delle scuole medie attraverso un’analogia) • Ammissione attraverso risultati sperimentali ottenuti dalla Siemens nel 2007, che era possibile aumentare del 70% l’efficienza delle apparecchiature PET di tale Societa’, grazie a miglioramenti nell’elettronica, secondo quanto prospettato da Crosetto nel 2002. Tale ammissione da parte della Siemens (negata nel 2002) dimostra che Crosetto aveva ragione. Tuttavia, occorre tenere presente che Crosetto rivendica la possibilita’ di aumentare l’efficienza del 40.000%. • Superamento della revisione scientifica internazionale del 23 giugno 2008 a Roma (Italia) • Assenza di invalidazioni scientifiche a proposito della tecnologia innovativa 3D-CBS da parte di oltre 20.000 scienziati che fanno riferimento al CERN, contattati via email da rappresentanti dei malati di cancro. www.crosettofoundation.org - Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.14.1) Revisione scientifica internazionale della tecnologia innovativa 3D-CBS Commissione Locale del 1 luglio 2003 (inoltre, sono da aggiungere i partecipanti alla revisione via internet e gli esperti nella materia che hanno studiato questo progetto negli anni passati) Jerry Merryman (sinistra), Vernon Porter (destra) Ruben Sonnino Robert Burns Frank Guy Paul Bartholdi (Da sinistra: Kalpathy Venkatesan, Robert Burns, Jerry Merryman Vernon Porter, Dario Crosetto, Ruben Sonnino, Paul Bartholdi, Paul Jerabek, e Frank Guy) Paul Jerabek www.crosettofoundation.org Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.14.2) Struttura meccanica e test rilevatori Scheda 3D-FlowTM per rilevazione fotoni Dimostrazione algoritmo Strumenti software identificazione fotoni per sviluppo hardw. Valutazione Positiva da parte degli esaminatori La commissione di scienziati che ha valutato il progetto innovativo 3D-CBS, ha cosi deliberato: “Crosetto ha svolto un lavoro eccellente nel realizzare le sue idee e nel progettare l’elettronica, nonostante le risorse economiche limitate disponibili. Nessun errore o lacuna sono stati riscontrati nelle prestazioni da lui prospettate riguardanti il sistema 3D-CBS: Screeening completo del corpo in 3-D.” (Vedere rapporto completo al sito www.3d-computing.com/pb/Review_rep.pdf). (Videostream) www.crosettofoundation.org - Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.14.3) Blocchi dei benefici ai pazienti dovuti a TUTTE le invenzioni di Crosetto: Nonostante l’esito positivo della revisione del 1 luglio 2003 della tecnologia innovativa 3D-CBS di Crosetto (che permette l’aumento di 400 volte dell’efficienza delle oltre 4.000 PET in uso negli ospedali), e della recente “ammissione” della Siemens”, da parte dei “Decision Makers” permangono obiezioni infondate sulla necessità di cambiare la direzione della ricerca. Tra i numerosi casi di blocchi dei benefici ai pazienti i piu’ significativi sono: • La presenza di contraddizioni scientifiche espresse da parte di esperti del settore, quali il Presidente della Medicina Nucleare, il Presidente della Fisica Medica, Direttori di Medicina Nucleare in Italia che si dichiarano contrari all’aumento in efficienza di un’apparecchiatura diagnostica, adducendo la motivazione assurda che tale aumento in efficienza aumenterebbe i falsi positivi e i falsi negativi. • La non risposta da parte di esperti della Fisica delle Particelle su cui si basa il principio di funzionamento dell’apparecchiatura PET: il fatto di non fornire argomentazioni scientifiche a supporto di obiezioni all’aumento in efficienza delle PET attuali rivendicato da Crosetto e al conseguente non finanziamento, costituisce una grave responsabilita’ da parte di chi e’ posto al vertice di queste istituzioni. • La mancata organizzare di una revisione scientifica da parte di chi, istituzionalmente o per mandato, ha il ruolo di occuparsi di migliorare la salute della collettivita’, si pone a danno del paziente. • Il rifiuto e/o blocco della sperimentazione di soluzioni tecnologiche piu’ efficienti e’ da “criminali”, come ha affermato un membro del Consiglio Superiore di Sanita’ presente alla revisione scientifica della tecnologia 3D-CBS di Roma del 23 giugno 2008 Si impone l’esigenza di procedere ad una REVISIONE SCIENTIFICA PUBBLICA, che, attraverso un dibattito serio ed approfondito, consenta di sviscerare ogni aspetto e chiarire ogni dubbio sull’effettiva possibilità di realizzazione della diagnosi precoce del cancro, sicura per il paziente, permettendo alla vera scienza di emergere. www.crosettofoundation.org - Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.14.4) COME APRIRE LA PORTA AL RAGGIUNGIMENTO DELLA VERA DIAGNOSI PRECOCE DEL CANCRO www.crosettofoundation.org - Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.15.0) LA PARTITA E’ GROSSA MA LA PORTA E’ CHIUSA Si ricorre allo screening mammografico perche’ si ritiene che salvi la vita La diagnostica molecolare della PET e’ molto piu’ sensibile della mammografia, Il 3D-CBS e’ 400 volte piu’ efficiente della PET attuale e puo’ effettuare lo screening dell’intero corpo utilizzando una dose radioattiva equivalente a quella della mammografia Sorge spontanea la domanda: Quante vite in piu’ si potrebbero salvare con la tecnologia 3D-CBS? Ma allora si deve APRIRE LA PORTA! www.crosettofoundation.org - Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.15.1) Donazione di Crosetto: un gesto a favore del paziente per creare una svolta sostanziale verso una diagnosi precoce del cancro La decisione di Crosetto di devolvere ai pazienti l’80% dei proventi provenienti dai brevetti relativi alla tecnologia innovativa 3D-CBS, finalizzata alla diagnosi precoce del cancro, si pone i seguenti obiettivi: • Costruire apparecchiature 3D-CBS, 400 volte più efficienti delle PET attuali, non dannose alla salute, per effettuare uno screening su gruppi selezionati di soggetti a rischio di cancro • Elargire apparecchiature 3D-CBS gratuite alle aziende sanitarie e coprire le spese per esami gratuiti ai pazienti • Divulgare informazioni scientifiche utili a ridurre sostanzialmente la mortalità prematura da cancro www.crosettofoundation.org - Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.15.2) Parti coinvolte nella causa della riduzione della mortalità da cancro attraverso la diagnosi precoce Donatori Paziente Stato www.crosettofoundation.org - Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.15.3) Investitori Ruoli delle parti coinvolte nella causa della riduzione della mortalità da cancro attraverso la diagnosi precoce • Paziente: • Consapevolezza del problema • Richiesta di poter usufruire nel minor tempo possibile dei massimi benefici dalle innovazioni • Richiesta ai Decision Makers affinché forniscano risposte coerenti con la scienza e con l’interesse del cittadino • Stato: • Promuovere il miglioramento della Salute dei cittadini • Donatore: • Controllare che le donazioni effettuate raggiungano il massimo impatto umanitario nel campo desiderato • Investitore: • Assicurare il profitto per gli azionisti. • Concorrere ad un mercato libero e competitivo poggiato su un’economia sana. • Puntare alla massima produzione per aumentare i profitti rendendo allo stesso tempo un servizio alla collettività www.crosettofoundation.org - Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.15.4) REVISIONE SCIENTIFICA PUBBLICA: La chiave per trasferire i benefici al letto del paziente La REVISIONE Scientifica Pubblica Gli OSTACOLI: • Obiezioni infondate sulla necessità di cambiare la direzione della ricerca. • Risposte non coerenti con la scienza e con l’interesse del paziente • La revisione scientifica pubblica è la chiave del superamento di tutti gli ostacoli. Serve a comprendere tutte le innovazioni della tecnologia innovativa 3D-CBS, mettendo a confronto tutte le idee, chiarendo le perplessità e sciogliendo i dubbi. • In caso di disaccordo la revisione deve sottomettere il giudizio alle leggi della natura (esperimento) e non all’opinione di un revisore. www.crosettofoundation.org - Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.15.5) REVISIONE SCIENTIFICA PUBBLICA: La chiave per trasferire i benefici al letto del paziente • La Revisione permette anche di evitare errori (come quelli perdurati per decenni riguardo ai cristalli ritenuti la causa principale dell’inefficienza delle PET, nonostante la loro efficienza avesse raggiunto gia’ il 95% , mentre altre sezioni della PET registrassero un’efficienza inferiore al 10%). Quindi non solo tutela gli interessi del paziente, ma anche quelli dell’industriale evitandogli di seguire suggerimenti inadeguati. In definitiva tutela gli interessi di tutte le parti coinvolte. • Chi propone una VERA SOLUZIONE deve dimostrare che tutte le parti traggono dei vantaggi. E’ quello che Crosetto ha evidenziato nella FORMULA di seguito illustrata. www.crosettofoundation.org - Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.15.6) FORMULA per ottenere vantaggi per il Paziente e per tutti • La formula di Crosetto offre la garanzia che l’implementazione della nuova tecnologia risulti di beneficio per il paziente, pur procurando vantaggi anche a tutte le altre parti coinvolte • Il Donatore ha il vantaggio di: essere ricordato “come benefattore per l’umanità”, per il suo sostanziale contributo finalizzato a salvare molte vite da morte prematura da cancro • I Gruppi Imprenditoriali hanno il vantaggio di: • conseguire profitti economici dalla vendita delle apparecchiature • aumentare i profitti grazie alle innovazioni che permettono di utilizzare cristalli a basso costo pur ottenendo un notevole aumento in efficienza. Questo permette di puntare alla massima produzione rendendo allo stesso tempo un servizio alla collettività • Lo Stato ha il vantaggio di: ricevere gratuitamente apparecchiature 3D-CBS grazie alla donazione dei proventi dei brevetti di Crosetto ricavati dalla somma versata dagli imprenditori per l’uso di tali brevetti. Ha inoltre il vantaggio di diminuire la spesa pubblica per ogni vita salvata da morte prematura da cancro L’istituzione e gli scienziati, che sono pagati attraverso le tasse dei cittadini, hanno il ruolo di svolgere la prima fase di supporto allo sviluppo delle innovazioni per il raggiungimento della massima efficienza della PET attuale al minimio costo per ogni vita salvata, puntando non al profitto ma al miglioramento della Sanita’ www.crosettofoundation.org - Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.15.7) FORMULA per ottenere vantaggi per il Paziente e per tutti Rispetto del proprio ruolo Tipi di intervento Garanzia Vantaggi per la parte interessata Destinatario dell’inter -vento Il donatore intende contribuire ad una causa umanitaria Donazione caritatevole Trasparenza nel bilancio che dimostra che la donazione è stata utilizzata per la riduzione della mortalità da cancro Essere ricordato come benefattore per l’umanità per le vite salvate Paziente I gruppi di impresa hanno il compito di garantire il profitto agli azionisti Investimento Licenze dei brevetti che proteggono l’investimento nei confronti della competizione Profitto Paziente Lo Stato ha il compito di migliorare la salute del cittadino Programmazione del futuro della Sanità che migliori la salute del paziente Scientificità delle rivendicazioni di Crosetto, confermate anche da risultati sperimentali ottenuti da terzi (Siemens) Riduzione della spesa pubblica per ogni vita salvata da mortalità prematura Paziente RR = Rispetto ruoli La REVISIONE SCIENTIFICA PUBBLICA GARANTISCE LA SEGUENTE EQUAZIONE D = Donazione T = Trasparenza Bilancio V = Vite salvate I = Investimento {RR + [i * (D + T + V) + j * (I + L + P) + k * (A + S + R)]} = Benefici per il PAZIENTE L = Licenze Brevetti P = Profitto A = Amministrazione Pubb. (Stato) i, j, k, sono pesi positivi quantificabili dalle parti coinvolte che comunque S = Scientificità innovazioni portano dei benefici ai pazienti. R = Riduzione spesa Sanità www.crosettofoundation.org - Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.15.8) Vantaggi per tutti nell’applicazione della FORMULA Prima dell’applicazione della FORMULA Costi+ 6.000 vite Profitti $1 salvate/ miliardi/ anno anno Investitori $64 miliardi/anno per cure cancro negli USA (Fonte: FORTUNE Magazine, 22 marzo 2004) Pazienti Amministrazione Pubblica + Compagnie Assicuraz. Dopo l’applicazione della FORMULA Apertura rubinetto = innovazione resa possibile dalla REVISIONE Scientifica Pubblica Contributo dell’INNOVAZIONE Ricerca non finalizzata a ridurre la mortalità Costi+Profitti $6 miliardi/anno 100.000 vite salvate/anno (riferito solo per gli USA) Incoerenza tra obiettivi dichiarati pubblicamente ed implementazione dell’intervento chirurgico e del trattamento postintervento chirurgico) Donazione caritatevole Costruzione apparecchiature poco efficienti Investitori $24 miliardi/anno + (piu’ il costo Donazione brevetti Pazienti www.crosettofoundation.org - Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.15.9) Ammin. Pubblica + C. Ass. Garanzie offerte alle varie parti coinvolte Gli Investitori sono garantiti dai brevetti di Crosetto discussi per mesi con gli esaminatori di brevetti in Europa e negli USA e successivamente approvati I Donatori sono garantiti dal Bilancio Trasparente che Crosetto adotterà, in conformità a quello tenuto nel 1996-1998 per progetti approvati con l’assegnazione di borse di ricerca per circa $1 milione da parte del Governo Americano Protezione Investimenti dalla Concorrenza Licenze dei brevetti Tuttavia, la VERA GARANZIA che vengano trasferite TUTTE le innovazioni di Crosetto al letto del paziente nel più breve tempo possibile, si potrà ottenere solo con la REVISIONE SCIENTIFICA PUBBLICA. In quell’occasione anche un semplice cittadino potrà assistere alla revisione e rendersi conto se le affermazioni dell’inventore, quella dei Decision Makers e quella dei revisori sono coerenti con i ruoli di ciascuna delle parti coinvolte, nonché con l’interesse del paziente e con la scienza. In caso di disaccordo, il cittadino capirà che il giudizio dovrà essere posto al vaglio dei risultati di un esperimento e non dell’opinione di un revisore. www.crosettofoundation.org - Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.15.10) Riassumendo, la tecnologia 3D-CBS offre tre vantaggi all’umanita’: • Primo: grazie alla radiazione bassa e sicura, i pazienti possono essere sottoposti a diversi esami durante la vita. • Secondo: grazie alla tecnologia che funziona a livello molecolare ed e’ centinaia di volte piu’ efficiente dell’attuale PET, e’ possibile la diagnosi precoce • Terzo: potendo esaminare un numero maggiore di pazienti al giorno ad un costo inferiore, si riduce il costo dell’esame e della sanita’. Grazie a questi tre vantaggi centinaia di migliaia di vite possono essere salvate ogni anno diagnosticando il cancro ad uno stadio precoce, quando la sopravvivenza e’ elevata Invece, oggigiorno la maggior parte del denaro stanziato per la ricerca contro il cancro continua ad essere speso per cure del cancro in stadio avanzato sebbene la sopravvivenza sia bassa. COME PUOI PARTECIPARE? Chiedendo al tuo medico, al tuo rappresentante politico e ai responsabili della tua salute che si interessino che individuino gli esperti competenti disposti a confrontarsi con l’inventore per far emergere la verita’ scientifica a beneficio dei pazienti. In assenza di obiezioni scientifiche, richiedi che la tecnologia 3D-CBS venga finanziata e messa a disposizione della collettivita’ perche’ abbiamo bisogno di uno screening migliore della mammografia per la diagnosi precoce del cancro dell’intero corpo e non solo del seno. Si tratta di un progetto di tutti in quanto l’inventore ha effettuato la donazione ai pazienti dell’80% dei proventi provenienti dai suoi brevetti e inoltre offre trasparenza di bilancio. Contribuisci a questa causa con una donazione e firma la petizione al CERN per ottenere una revisione scientifica pubblica della tecnologia innovativa 3D-CBS andando sul sito web: www.crosettofoundation.com www.crosettofoundation.org - Percorso C: Riconoscimenti e blocchi all’invenzione (C.15.10) Ringraziamenti a: OnSemi Comitato Lotta contro il Cancro di Monasterolo di Savigliano (CN) Rotary Group – ROTARACT - ITALY District 2030 www.crosettofoundation.org - END (C.15.11)