Progettazione di un emulatore multicanale di gamma camera

The continuous advance in process technology and manufacturing process of electronic devices allowed outstanding results in medical imaging during the last years due to the development of refined and sophisticated detection systems. Innovations in this field aim to provide more and more detailed images which are visual representations of the interior of an organism, allowing researchers to study cells metabolic activity. Most of the imaging techniques are based on gamma radiation detection emitted from the internal organism under examination as a consequence of the administration of a radioactive pharmaceutical. The purpose of radiopharmaceuticals is to specifically interact with a biological system, where they are used as tracers because their chemical composition includes a radioactive nuclide, subject to radioactive decay resulting in the emission of gamma rays. In order to take advantage of the improvement of detectors and front-end electronics it is necessary to implement precise image reconstruction algorithms which can benefit from the increased spatial resolution. Test and debug become more and more important during the development of a complete detection system, where the use of radioactive sources is still the main limitation in the development of nuclear imaging devices and machines. The purpose of the thesis is to produce a nuclear radiation multichannel emulator in order to avoid the physical use of radioactive sources during the development phase. Using an emulator leads to various advantages in terms of safety for operators, project budget and flexibility of the design process. To emulate a given image the device performs a matrix emulation, achieved through algorithms which simulate the typical temporal emission and energy distribution of gamma photons during the detection process. The multichannel emulator aims to replace the steps of photon generation via radioactive pharmaceuticals and detection through the gamma camera, providing electric signals comparable to a real experiment. The thesis describes all the design choices of the emulation process, emulator control and development.

Il progresso dei processi tecnologici e produttivi dei dispositivi elettronici ha permesso di raggiungere notevoli risultati nell’ambito dell’imaging biomedico negli ultimi anni proprio grazie allo sviluppo di apparati di rivelazione sempre più sofisticati. Le innovazioni introdotte sono mirate all’ottenimento d’immagini più dettagliate di aree interne dell’organismo per effettuare indagini sull’attività metabolica dei tessuti. Il meccanismo di investigazione di molte delle tecniche d’imaging si basa sulla rivelazione di radiazioni gamma prodotte internamente dall’organismo sotto esame a seguito della somministrazione di radiofarmaci, i quali hanno la proprietà di interagire specificatamente con il sistema biologico ma che, inoltre, nella loro struttura chimica contengono un atomo di un nuclide radioattivo. Da quanto detto si evince che per trarre a pieno i vantaggi derivanti dal miglioramento dei sistemi di rivelazione, rivelatori ed elettronica di front-end, è necessario implementare processi di ricostruzione delle immagini accurati capaci di sfruttare l’incremento della risoluzione spaziale ottenuto. Questo comporta che sia sempre più fondamentale il test e il debug nello sviluppo dei sistemi d’elaborazione. In questo ambito, l’uso di sorgenti radioattive rimane la principale difficoltà nello sviluppo di sistemi d’imaging nucleare. Scopo di questo lavoro è di realizzare un emulatore multicanale di radiazioni nucleari con il fine di evitare di dover avere fisicamente a disposizioni le sorgenti radioattive durante la fase di sviluppo dei sistemi di elaborazione. Ciò comporta molteplici vantaggi in termini di economia di progetto, sicurezza degli operatori e flessibilità del processo di design. Trattandosi di immagini, ovviamente l’emulazione è di tipo matriciale ed è caratterizzata da algoritmi finalizzati a simulare i processi aleatori attinenti la statistica temporale ed energetica intrinseca nel processo di rivelazione di fotoni gamma. L'emulatore multicanale si propone di sostituirsi sia alla fase di 16 generazione, all'interno dei tessuti del paziente, che a quella di rilevazione vera e propria, usualmente attuata dalla gamma camera, al fine di generare segnali elettrici confondibili con quelli di un esperimento reale. Verranno presentate tutte le scelte progettuali ed implementative riguardanti il processo d’emulazione ed il controllo e programmazione dello stesso.