Sviluppo di un rivelatore gamma basato su silicon photomultiplier per INSERT : un sistema di imaging multimodale SPECT/MRI

The purpose of the following thesis work is to characterize in terms of energy resolution, spatial resolution and field of view a gamma detector module of a SPECT system within INSERT (INtegrated SPECT/MRI for Enhanced Stratification in Radio-chemoTherapy), an european project that intends to develop a SPECT/MRI integrated structure for multimodal imaging in the context of neuro-oncology diagnostic. The implemented detector module is based on the Anger camera principle, in other words it operates through indirect conversion of radiation by a monolithic scintillating crystal made of thallium-activated cesium iodide (CsI(Tl)) coupled with a photodetec- tor matrix of Silicon PhotoMultiplier (SiPM). Each SiPM produces a current signal proportional to the received light. The charge is collected and elaborated by a dedicated electronic chain. In the first chapter it is carried out a panning shot concerning the multimodal imaging techniques and the integrated systems for simultaneous acquisition of functional and morphological images. In this context it is introduced the INSERT project and its specifications. In the second chapter, after having outlined the structure of the Anger camera, are described the operating principles and the figures of merit of the SiPM, that is a new device for the detection of gamma rays at low energy. Then it is theoretically estimated the system energy resolution as a function of the detector module parameters. In the third chapter it is carried out the description of the set-up implemented for the detector module characterization: the electronic channels for signal processing, the electronic boards to optimise the measurement activity, the mechanic system that sustains the detector module and the SiPM cooling technique. In the fourth chapter are presented the results of experimental measurements for the study of energy resolution, spatial resolution and field of view of the detector module, they were realized as different parameters changes: detection area, SiPMs polarization voltage and temperature.

Il seguente lavoro di tesi fonda il proprio scopo sulla caratterizzazione in termini di risoluzione energetica, risoluzione spaziale e campo di vista del modulo base di rivelazione gamma di un sistema SPECT nell’ambito del progetto europeo INSERT (INtegrated SPECT/MRI for Enhanced Stratification in Radio-chemoTherapy), volto allo sviluppo di un struttura integrata SPECT/MRI per imaging multimodale nell’ambito della diagnostica neuro-oncologica. Il modulo di rivelazione implementato si basa sul principio dell’Anger camera, ovvero opera tramite conversione indiretta della radiazione attraverso un cristallo scintillatore monolitico di Ioduro di Cesio (CsI(Tl)) accoppiato ad una matrice di fotorivelatori Silicon PhotoMultiplier (SiPM), ciascuno dei quali, in funzione della luce raccolta, fornisce un segnale elettrico proporzionale che viene acquisito ed elaborato da una catena elettronica dedicata. Nel primo capitolo di questo elaborato viene effettuata una panoramica relativa all’imaging multimodale e ai sistemi integrati per l’acquisizione simultanea di immagini funzionali e morfologiche introducendo il progetto INSERT e le specifiche richieste. Nel secondo capitolo, dopo aver delineato la struttura dell’Anger camera, vengono descritti il funzionamento e i parametri di merito dei SiPM, che si applicano in maniera innovativa nel campo della rivelazione gamma a bassa energia. Infine viene stimata a livello teorico la risoluzione energetica del sistema in funzione dei parametri del modulo di rivelazione. Nel terzo capitolo viene effettuata la descrizione del set-up implementato per la caratterizzazione del modulo rivelatore: i canali elettronici per l’elaborazione del segnale, le schede elettroniche per l’ottimizzazione dell’attività di misura, il sistema meccanico di supporto e la tecnica di raffreddamento dei SiPM. Nel quarto capitolo sono presentati i risultati delle misure sperimentali relativi alla risoluzione energetica, risoluzione spaziale e campo di vista del sistema complessivo al variare di diversi parametri quali l’estensione della superficie di rivelazione, la tensione di polarizzazione dei SiPM e la temperatura.