Ottimizzazione di un modulo di rivelazione gamma per imaging preclinico multimodale SPECT/MRI

INSERT is an European project aiming to the realization of a multimodal medical imaging instrument combining integrated SPECT/MR for neuro-oncology. The objective of the multimodal medical device is to combine the anatomical information from MR with the high sensitivity of SPECT systems to track radiolabeled biological processes, with the final purpose to provide higher quantity and quality information for the diagnosis, patientspecific radio/chemo-therapy and early assessment of treatment efficacy. The SPECT INSERT, composed by a set of gamma cameras organized in a ring shape, has been realized in two versions: a preclinical system for biological research on small animals and a clinical one for the human brain/neck region imaging. My master thesis concerns the calibration and optimization of a single gamma camera module in order to enhance the energy resolution which is foundamental for an enhanced imaging and moreover to permit multiple radiotracers detection for a better stratification of the biological processes in only one diagnostic acquisition. This kind of calibration and optimization has been taken by data elaboration, after acquisition of the gamma radiation absorbed by the crystal, corresponding to the planar projection of the distributed radiotracer present inside the patient. The goal is to develop an algorithm to correct and calibrate the data acquired in order to obtain a better energy resolution. The next step will be the implementation of these algorithms for every module composing preclinical and clinical system to give an enhanced reconstruction image of the gamma radiation. I've also helped to realize an user guide for the graphic interface which communicates with and set important parameters in the acquisition system and also to resolve a problem about an important parameter in the chain of the acquisition which is the reset time and how to choice it optimally. I've finally tested the preclinical model at Ospedale San Raffaele with some phantoms and capillaries filled with Tc solutions in order to observe the goodness of the image resolution after appropriate software reconstruction.\\The overall discussion has been organized in four chapters. In the first chapter is discussed the contributions to scientific research and clinical practice of multimodal methods, focusing in particular on SPECT / MR. Then the two systems constituting the hybrid scanner are described in a general way, giving more space to the SPECT because its design is the most important part of the project. The second chapter describes the components of an Anger camera and it explains the definitions of the main parameters for the characterization of inorganic scintillators and photodetectors. It also describes the Silicon Photomultipliers (SiPM), which due to their insensitivity to magnetic fields, have been used in INSERT. It is also provided a description of the electronic readout of signals from the photodetectors, in particular about the Peak Stretcher and its behavior, specially with the choice of an important parameter for a good working of it. In the third chapter are illustrated the correction and optimization carried out for a single INSERT gamma module, analyzing first of all the electronic path of the signal and then arriving to focalize the attention on the combo crystal-photodetectors, explaining the reconstruction methods used. The fourth chapter is focused on the experimental measurements carried out at the Ospedale San Raffaele in Milan in order to test the preclinical model in terms of image resolution.

INSERT è un progetto Europeo il cui scopo è la realizzazione di un sistema di imaging medicale integrato SPECT/MR per neuro-oncologia. L'obiettivo di questo sistema medico multimodale è di combinare l'informazione anatomica proveniente dalla risonanza magnetica (MR) con l'elevata sensitività dei sistemi SPECT nel tracciare processi biologici radiomarcati, con lo scopo finale di fornire una maggiore qualità e quantità di informazioni per le diagnosi, la radio/chemio-terapia paziente-specifica e per la valutazione precoce dell'efficacia del trattamento. La SPECT INSERT, costituita da un insieme di gamma camere organizzate in forma di anello, è stata realizzata in due versioni: un sistema preclinico per ricerca biologica su piccoli animali e uno clinico per l'imaging della regione collo/testa del corpo umano. Il mio lavoro di tesi riguarda la calibrazione e l'ottimizzazione di un singolo modulo di gamma camera in modo da migliorarne la risoluzione da un punto di vista energetico, fondamentale per un imaging più accurato e soprattutto per permettere, con una sola acquisizione diagnostica, una rivelazione a multipli radiotraccianti, ottenendo una migliore stratificazione dei processi biologici.Queste tipo di calibrazione e ottimizzazione sono state realizzate a valle dell'acquisizione, sui dati ottenuti a seguito della radiazione gamma assorbita dal cristallo scintillatore, corrispondente alla proiezione planare del radiotracciante distribuito all'interno del corpo del paziente. L'obiettivo è sviluppare un metodo con cui correggere e calibrare i dati acquisiti in modo da ottenere una risoluzione energetica migliore. Si prevede di implementare questi algoritmi di calibrazione per ogni modulo di gamma camera del sistema preclinico e clinico per ottenere un'immagine ricostruita il più possibile risoluta. Ho poi realizzato una guida per la gestione dell'interfaccia grafica comunicante col sistema di acquisizione e di cui ne imposta determinati parametri. Inoltre ho contribuito alla risoluzione di un problema nella catena di acquisizione, riguardante la corretta impostazione del parametro 'tempo di reset', focalizzando l'attenzione su come farne una scelta ottimale sul valore. Infine ho testato il sistema preclinico all'Ospedale San Raffaele di Milano con un alcuni fantocci e capillarei riempiti con soluzioni di Tecnezio, osservando la bontà dell'immagine ricostruita a seguito dell'elaborazione software.\\L'intero lavoro è stato organizzato in quattro capitoli. Nel primo si discute dei contributi alla ricerca e alla pratica clinica dei metodi multimodali, focalizzandosi in particolare sulla SPECT/MR. Dopodichè si descrivono in modo generale i due sistemi costituenti lo scanner ibrido, in particolare la SPECT, essendo la progettazione di quest'ultima la parte fondamentale del progetto. Nel secondo capitolo si illustrano i componenti di una Anger camera e la definizione dei principali parametri per la caratterizzazione di scintillatori inorganici e fotorivelatori. Si descrivono inoltre i Silicon Photomultipliers (SiPM), che grazie alla loro insensibilità ai campi magnetici, sono stati impiegati in INSERT. Infine si tratta della strategia di lettura dei segnali provenienti dai fotorivelatori, illustrando in particolar modo il principio di funzionamento del Peak Stretcher, fondamentale nella catena di acquisizione così come la scelta di un parametro ad esso connesso. Nel terzo capitolo si affrontano le correzioni e ottimizzazioni effettuate su un singolo modulo gamma INSERT, partendo da un'analisi del percorso elettronico del segnale per poi focalizzare l'attenzione a livello di fotorivelatori e cristallo, illustrando i metodi di ricostruzione delle immagini seguiti. Il quarto capitolo infine è focalizzato sulle misure sperimentali attuate presso l'Ospedale San Raffaele di Milano e condotte col modello preclinico, testandolo dunque in termini di risoluzione d'immagine e illustrando la modalità con cui le immagini sono ricostruite.