Processing methods for position reconstruction of detected gamma events in gamma ray detectors

Gamma radiation detection finds many applications in different fields, including astrophysics, medical diagnostics and nuclear physics. In the area of medical diagnostics, the realization of multimodal imaging scanners represents one of the main research and development topics, since the combination of techniques providing correlated functional and anatomical information, increases the accuracy of disease diagnosis and improves therapy monitoring and assessment. In this scenery is defined INSERT project, founded by 7th Framework Program of European Commission, which has brought to the development of the first SiPM-based clinical SPECT scanner suitable for insertion inside a commercial MRI. In the context of nuclear physics experiments with energies ranging from 100keV to 20MeV, is placed GAMMA project, supported by Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), which consists in the design, development and experimental characterization of a gammaray spectrometer, based on large Lanthanum Bromide scintillator crystals coupled with Silicon Photomultipliers (SiPMs), characterized by state-of-the-art energy resolutions and imaging capability in a compact, modular and robust structure. The goal of this thesis work is to implement algorithms for image reconstruction in different applications having in common the context of gamma radiation revelation employing scintillator crystals coupled with a SiPMs matrix. In particular, for what concerns INSERT project, the objective to be achieved is the reconstruction of the third coordinate of the scintillation position of the single absorbed gamma photon. From the knowledge of this parameter is possible to compensate the parallax error and obtain an improvement of the final image quality. As regards GAMMA project the goal to reach is the reconstruction of the scintillation position of the single gamma photon along its emission direction. Exploiting this information, in nuclear physics experiments adopting particles accelerators, is possible to derive the angle between the direction of the moving source and that of the emitted photon and, therefore, correct the Doppler effect. Eventually, in the context of a new device constituted by a spectrometer able to localize the position of a gamma source in space, the objective to be attained is the implementation of a reconstruction algorithm that can be directly executed in the micro-controller mounted in the detector. In this way the reconstruction task can be performed in real time and, in case cooperative networks are adopted, the computational complexity can be distributed in the peripheral nodes, obtaining more relaxed constraints in terms of communication speed and getting a faster and with higher performances system.

La rivelazione di radiazione gamma trova molte applicazioni in diversi ambiti, tra cui l'astrofisica, la diagnostica medica e la fisica nucleare. Nel campo della diagnostica medica, la realizzazione di scanner per imaging multimodale rappresenta uno dei principali argomenti di ricerca e sviluppo, poiché l'integrazione di informazioni funzionali e anatomo-morfologiche permette di aumentare l'accuratezza delle diagnosi e di migliorare il monitoraggio e la valutazione dell'efficacia delle terapie mediche. In questo ambito si colloca il progetto INSERT, finanziato dalla Comunità Europea nel contesto del programma FP7- HEALTH, che ha portato alla realizzazione del primo scanner SPECT clinico basato su SiPM compatibile con la risonanza magnetica. Nel contesto di esperimenti di fisica nucleare con energie che vanno da 100keV a 20MeV si inserisce il progetto GAMMA, sostenuto dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), che consiste nella progettazione, sviluppo e caratterizzazione sperimentale di uno spettrometro gamma, basato su cristalli scintillatori di Bromuro di Lantanio di grandi dimensioni accoppiati a Silicon Photomultipliers (SiPMs), caratterizzato da risoluzione energetica allo stato dell'arte e capacità di imaging, in una struttura compatta, modulare e robusta. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di implementare algoritmi per la ricostruzione di immagine in diversi ambiti accomunati dal contesto della rivelazione di raggi gamma tramite cristalli scintillatori accoppiati a una matrice di SiPMs. In particolare, per quanto riguarda il progetto INSERT, lo scopo finale da raggiungere è quello della ricostruzione della terza coordinata di scintillazione del singolo fotone gamma assorbito. Dalla conoscenza di questo parametro è possibile effettuare una compensazione dell'errore di parallasse e ottenere un miglioramento della qualità dell'immagine finale. In merito al progetto GAMMA l'obiettivo è quello di ricostruire la posizione di scintillazione del singolo fotone gamma lungo la sua direzione di emissione. Grazie a questa informazione, negli esperimenti di fisica nucleare che utilizzano acceleratori di particelle, è possibile ricavare l'angolo tra la direzione della sorgente in movimento e quella di emissione del fotone e, conseguentemente, correggere l'effetto Doppler. Infine, nel contesto di un nuovo dispositivo costituito da un rivelatore in grado di localizzare la posizione di una sorgente di radiazione gamma nello spazio, l'obiettivo da conseguire è l'implementazione di un algoritmo di ricostruzione che possa essere eseguito direttamente dal microcontrollore montato sul rivelatore. In questa maniera può essere eseguita una ricostruzione in tempo reale e, nel caso di reti cooperative, la complessità di calcolo può essere distribuita in più nodi periferici così da rilassare i requisiti in termini di quantità di dati da trasmettere e ottenere un sistema più veloce e performante.