Development of a gamma-ray detection module for multimodal SPECT/MR imaging

Multimodal imaging techniques have been representing one of the main and most focused research and development topic in the field of medical diagnostic of the last thirty years. The best solution to achieve consistency in time and space is obtained by the synchronous image acquisition that is the combination of two or more modalities simultaneously recording images from the same object. In the present work the design and development of a compact SPECT insert for hybrid SPECT/MR is discussed. The range of possible applications extends from in vivo studies for physiological and pathological studies and drug delivery to cardiovascular functionality and diagnosis, oncology, neuro-imaging and neuro-oncology. The synchronous combination of SPECT and MR is rather unexplored in literature mainly due to the major technical constrains related to mutual compatibility of the scanners. The SPECT insert is required to be compact, do not interfere with the MR acquisition, present no significant susceptibility to magnetic field and RF signal from MR coils and also to detect multiple radiotracers within the same imaging session. The design and development of the gamma-cameras that compose the SPECT ring is presented together with the main methodology adopted to fulfill a detector with adequate imaging and spectroscopic performance: analytical and custom simulation tools implementing montecarlo algorithms have been exploited, but also scaled experimental measurements for the validation of the parameters adopted in the overall system. The planar image quality has been optimized through the implementation of statistical based reconstruction algorithm which profit of a new and practical method for Light Response Function (LRF) retrieval. Tests with a preliminary gamma-camera prototype have produced the first experimental results: the intrinsic spatial resolution in the center of a 50 mm x 50 mm field of view has been measured around 1.4 mm FWHM, with an energy resolution of 16.6 % at 140 keV (Tc-99m). The simulated outcomes present good correspondence with the experimental ones, thus providing a reliable tool for the prediction of the final system performance: approximately 1 mm FWHM of intrinsic spatial resolution and an energy resolution slightly higher than 12 % at 140 keV.

Le tecniche di imaging multimodale rappresentano uno degli strumenti più importanti e d’interesse per la ricerca e sviluppo nell’ambito della diagnostica medica degli ultimi trent'anni. La soluzione ottimale per ottenere coerenza spazio-temporale avviene attraverso l'acquisizione sincrona delle immagini registrate tramite due o più modalità differenti. Nel presente lavoro viene descritto il processo di progettazione e sviluppo di un sistema SPECT compatto ed inseribile in risonanze magnetiche commerciali per ottenere un sistema SPECT/MR. La gamma delle possibili applicazioni per questo tipo di dispositivo si estende da analisi in vivo per studi fisiologici e patologici, studi di drug delivery, ma anche diagnostica in ambito cardiovascolare, in oncologia, neuro-imaging e neuro-oncologia. La possibilità di combinare SPECT e MR in uno strumento multimodale e sincrono rappresenta una prospettiva relativamente inesplorata in letteratura, principalmente a causa dei limiti introdotti da possibili mutue incompatibilità tra gli scanner. L'inserto SPECT deve essere compatto, non interferire con l'acquisizione MR e a sua volta non essere suscettibile al campo magnetico e al segnale RF generati dalla MR. Inoltre viene richiesto che il sistema sia in grado di rilevare più radio-traccianti nella stessa sessione di imaging. Nell’elaborato di tesi viene presentato il procedimento di progettazione e sviluppo delle gamma camere che compongono l'anello SPECT, insieme con i metodi adottati per il design dello strumento e per l’ottimizzazione dei risultati in termini di qualità dell’immagine e spettroscopia. Per la previsione delle prestazioni del sistema finale sono stati impiegati modelli analitici e simulazioni montecarlo, oltre che studi su modelli in scala sperimentali per la verifica e convalida dei parametri di progetto. La qualità della immagine planare è stata ottimizzata attraverso lo sviluppo ed implementazione di un algoritmo di ricostruzione statistico basato sulla conoscenza di una Light Response Function (LRF) calcolata tramite un metodo pratico ed innovativo. I risultati in termini di risoluzione spaziale ed energetica sono stati misurati per un prototipo preliminare e sono estensivamente discussi: la risoluzione spaziale intrinseca, al centro di un campo di vista di 50 mm x 50 mm, risulta di circa 1,4 mm FWHM, con una risoluzione energetica di 16,6% a 140 keV (Tc-99m). I risultati simulati presentano una buona corrispondenza con quelli sperimentali, fornendo così uno strumento affidabile per la previsione delle prestazioni del sistema finale: circa 1 mm FWHM di risoluzione spaziale intrinseca e una risoluzione energetica leggermente superiore al 12% a 140 keV.