Thermal Deign of a Multimodule PET Detector for Quality Assurance in Protontherapy

In the last decades, positron emission tomography (PET) has solidified its position as a forefront imaging solution in nuclear medicine, particularly in the domain of oncological diagnostics and research. This work focuses on the investigation and optimization of a thermal management solution for a novel cutting-edge PET sensor and scanning system. The innovative hardware approach, while promising, had not undergone a comprehensive evaluation regarding its heat generation, necessitating a thorough examination and optimization to ensure reliable functionality during operation and resilience throughout its expected lifetime. In particular COMSOL Multiphysics, a versatile finite element analysis and simulation software tool, was used to scrutinize various approaches for cooling the system. This involved conducting accurate thermal simulations to assess the effectiveness of different management strategies before committing to a specific design. The use of a software approach allowed for a systematic exploration of potential solutions, contributing to the selection of an optimal cooling mechanism for the PET sensor and scanning system. Following the identification of the optimal cooling solution, the next phase of this work focused on evaluating the processors responsible for collecting and interpreting PET data obtained from the sensor. To conduct these evaluations, we designed a testing board using KiCAD, an open-source software suite used for electronic design automation (EDA). This board was designed to connect with each sensor module, enabling the emulation of a current pulse signal, in order to verify and, where necessary, recalibrate the sensors.

Negli ultimi decenni, la tomografia a emissione di positroni (PET) si è consolidata come una delle principal soluzioni di imaging nell'ambito della medicina nucleare, in particolare nella diagnostica e ricerca oncologica. Questa tesi si concentra sull'indagine e ottimizzazione di una soluzione di gestione termica per un nuovo sensore PET e il relativo sistema di scansione. L'hardware innovativo, sebbene promettente, non era stato valutato riguardo alla generazione di calore, rendendo necessaria un'approfondita esplorazione e ottimizzazione per garantirne il funzionamento durante l'operazione e la vita utile prevista del sistema. In particolare è stato utilizzato, COMSOL Multiphysics, un versatile strumento software per l'analisi agli elementi finiti e la simulazione, per esaminare varie approcci per il raffreddamento del sistema. Ciò ha comportato l'esecuzione di accurate simulazioni termiche per valutare l'efficacia di diverse strategie di gestione termica prima di una decisione finale su un design specifico. L'approccio software ha permesso un'esplorazione sistematica di potenziali soluzioni, contribuendo alla scelta di un meccanismo di raffreddamento ottimale per il sensore PET e il sistema di scansione. Trovata la soluzione di raffreddamento, la successiva fase di questo lavoro si è concentrata sulla valutazione dei processori responsabili della raccolta e interpretazione dei dati PET ottenuti dal sensore. Per condurre queste valutazioni, abbiamo progettato una scheda di test utilizzando KiCAD, un software open-source per l'automazione della progettazione elettronica (EDA). La scheda è stata progettata per connettersi a ciascun modulo del sensore, consentendo l'emulazione di un segnale di impulso di corrente, al fine di verificarne il funzionamento e, se necessario, effettuare una ricalibrazione.