Development of the HICAM imaging system for SPECT applications

Nuclear medical imaging is a generic term that covers many imaging techniques based on the interaction of ionizing radiations into biological tissues, with the common aim to gather information about metabolic activity of the studied object. The goal of the Hicam project was the development of a compact, light-weighted gamma camera, for earlier and more reliable diagnosis and therapy planning of cancer in specific applications. A high overall spatial resolution, system compactness and the capability to place the detector near the target are the most significant features of this novel diagnostic instrument of European interest. During the project two protoypes were built, offering a 25cm2 and a 100cm2 field of view, and following the well-known Anger architecture, now implementing solid state detectors. In fact, a gamma camera based on SDDs represents an imaging device with several potentialities in the field of medical imaging, thanks to the possibility to achieve a good spatial resolution and the opportunity to integrate the system in a magnetic resonance environment. The research objective of this thesis is to study the behaviour of the gamma camera throughout the phases of the imaging process. A simulator was involved in preliminary analyses to anticipate the functioning of the gamma camera together with the issues associated to the structure of the device, like the geometry or the materials involved. Performances of the detectors were checked taking advantage of specific measurements, allowing us to install and exploit SDDs in optimal working conditions. Eventually, experimental data were processed with a customized software allowing the reconstruction of enhanced images; calibrations and corrections were performed taking advantage of the results achieved in preliminary studies. A comparison between Hicam and a commercial gamma camera is presented to show the results achieved in planar scintigraphy. Tomographic acquisitions were also carried out on small phantoms, showing how this prototype, provided with a high spatial resolution, may be involved in SPECT measurements on small animals or human patients.

La medicina nucleare è una metodica di diagnostica per immagini le cui tecniche si basano sull’interazione di radiazioni ionizzanti all’interno dei tessuti biologici, con lo scopo di raccogliere informazioni relative all’attività metabolica dell’oggetto di studio. L’obiettivo del progetto Hicam è stato lo sviluppo di una gamma camera leggera e compatta, utile per eseguire diagnosi preliminari più affidabili e in applicazioni specifiche per la pianificazione di terapie contro il cancro. Questo dispositivo presenta caratteristiche molto significative, come l’elevata risoluzione spaziale, la compattezza, e la possibilità di posizionare la gamma camera vicino al paziente, rendendolo uno strumento unico e di interesse europeo. Durante il progetto sono stati costruiti due prototipi con un campo di vista di 25cm2 e 100cm2, proponendo una struttura che riprende l’architettura di Anger, implementando però rivelatori a stato solido in sostituzione dei fototubi. Infatti, una gamma camera che integra SDD è un dispositivo con grandi potenzialità in ambito biomedicale grazie alla possibilità di ottenere un’elevata risoluzione spaziale e all’opportunità di effettuare misure congiuntamente ad un apparato di imaging a risonanza magnetica. L’obiettivo di questa tesi è lo studio del comportamento della gamma camera in tutte le fasi del processo di imaging. Analisi preliminari sono state effettuate grazie all’uso di un simulatore per comprendere le dinamiche dei fenomeni fisici coinvolti nella rivelazione, e prevedere i possibili problemi. Successivamente sono state eseguite delle misure per garantire il corretto funzionamento dei sensori, cercando di utilizzarli in condizioni di lavoro ottimali. Infine è stato realizzato un software ad-hoc, per processare i dati e migliorare la ricostruzione delle immagini attraverso calibrazioni e correzioni, elaborate a partire dai risultati ottenuti nelle precedenti analisi. Viene inoltre presentato un confronto tra gli esami scintigrafici effettuati con Hicam e quelli realizzati con una gamma camera commerciale, con l’obiettivo di mostrare le prestazioni del dispositivo e i risultati ottenuti. Grazie alla notevole risoluzione spaziale dello strumento, è stato possibile eseguire acquisizioni tomografiche (SPECT) di piccoli modelli adatti alla valutazione delle prestazioni, dimostrando come questi esperimenti possano essere estesi anche a pazienti umani, o piccoli animali.