Development of a depth-of-interaction estimation algorithm for a MRI-compatible clinical SPECT

The implementation of multimodal imaging scanners represents one of the main challenges in the field of medical diagnostics since the integration of functional information with the anatomical and morphological ones allows to increase the accuracy of diagnoses and to improve both monitoring and the evaluation of medical therapies effectiveness. The physical integration of the imaging systems permits to obtain a simultaneous scan, reducing the time required for the diagnostic examination and enhancing the final quality of the images, in the face of problems of size and mutual compatibility. This is the context of the European INSERT project which led to the creation of the first clinical SPECT scanner based on silicon photomultipliers (SiPM), compatible with magnetic resonance imaging for SPECT / MRI imaging. The SPECT scanner consists of a set of 20 gamma cameras arranged in a ring, for a total of 1440 pixels. The clinical tool was designed for brain imaging, with the main purpose of improving imaging for glioma patients, facilitating personalized radios and chemotherapy. In the framework of this master degree thesis, the possibility of reconstructing the depth of interaction (DOI) in the thickness of the scintillator was assessed, using an iterative clustering algorithm capable of grouping events that have similar absorption coordinates. In particular, the main effort was to find a calibration procedure that would reduce both the acquisition time and the computational cost of the entire process, trying to develop a method that can be used in the clinical routine. Therefore, the algorithm was tested using uniform irradiation as a calibration procedure and then, with experimental measurements, it was evaluated on a single detector. The good results obtained have allowed it to be integrated into the tomographic reconstruction chain of the clinical INSERT instrument.

La realizzazione di scanner per imaging multimodale rappresenta una delle sfide principali nel campo della diagnostica medica poiché l’integrazione di informazioni funzionali e anatomo-morfologiche permette di aumentare l’accuratezza delle diagnosi e migliorare sia il monitoraggio che la valutazione dell’efficacia delle terapie mediche. L’integrazione fisica dei sistemi di imaging permette di ottenere una scansione simultanea, riducendo i tempi necessari per l’esame diagnostici e migliorando la qualità finale delle immagini, a fronte di problematiche di ingombro e mutua compatibilità. In questo ambito si colloca il progetto europeo INSERT che ha portato alla realizzazione del primo scanner SPECT clinico basato su fotomoltiplicatori al silicio (SiPM), compatibili con la risonanza magnetica per imaging SPECT/MRI. Lo scanner SPECT è costituito da un insieme di 20 gamma camere disposte ad anello, per un totale di 1440 pixel. Lo strumento clinico è stato progettato per l’imaging cerebrale, con lo scopo principale di migliorare l’imaging per pazienti affetti da glioma, facilitando radio e chemioterapia personalizzate. Nell’ambito di questa tesi di laurea, è stata valutata la possibilità di ricostruire la profondità di interazione (Depth of Interaction - DOI) nello spessore dello scintillatore, utilizzando un algoritmo iterativo di clustering in grado di raggruppare eventi che presentano coordinate di assorbimento simili. In particolare, lo sforzo principale è stato quello di trovare una procedura di calibrazione tale da ridurre sia il tempo di acquisizione che il costo computazionale dell’intero processo, cercando di sviluppare un metodo che possa essere utilizzato in ambito clinico. Per cui, l’algoritmo è stato collaudato utilizzando un’irradiazione uniforme come procedura di calibrazione e poi, con misure sperimentali, è stato valutato su un singolo detector. I buoni risultati ottenuti hanno permesso la sua integrazione all’interno della catena di ricostruzione tomografica dello strumento INSERT clinico.