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Tesi etd-07072008-011113
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Tipo di tesi Tesi di laurea specialistica
Autore LAZZERONI, MARTA
URN etd-07072008-011113
Titolo Un tomografo a emissione di singolo fotone per lo studio del tumore alla mammella (SPEMT): calibrazione e valutazione delle prestazioni.
Settore scientifico disciplinare SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI, FACOLTA'
Corso di studi FISICA APPLICATA
Commissione
Nome Commissario Qualifica
Prof. Alberto Del Guerra Relatore
Parole chiave
  • tomografia
  • SPEMT
Data inizio appello 2008-07-22
Disponibilità mixed
Data di rilascio2048-07-22
Riassunto analitico
Questo lavoro di tesi è rivolto allo studio e messa a punto di un tomografo ad emissione di singolo fotone dedicato all’imaging della mammella. Il progetto si pone all’interno di una linea di ricerca indirizzata verso lo sviluppo di nuove metodiche di imaging dedicato per lo studio del carcinoma mammario.
Il tumore al seno è la quinta causa di morte per cancro nel mondo ed è la prima nella donne al di sotto dei 55 anni, preceduta, al di sopra di tale fascia d’età, soltanto dalle malattie cardiovascolari.
Negli ultimi anni l’incidenza della neoplasia è notevolmente aumentata con un rate annuale d’incremento pari a circa l’1-2%. In Italia si stimano circa 300.000 nuovi casi ogni anno. Tuttavia mentre negli scorsi decenni la mortalità per carcinoma mammario appariva in costante aumento su scala di popolazione, recentemente è stata registrata una significativa inversione di tendenza.
La situazione attuale, con incidenza in aumento e mortalità in diminuzione, può essere interpretata come un’espressione epidemiologica dei progressi diagnostico-terapeutici ottenuti grazie sia alla maggiore efficacia delle terapie di recente sviluppo, sia alla sempre maggiore diffusione dei programmi di screening in grado di consentire una diagnosi precoce della patologia. La mammografia rimane a tutt’oggi la tecnica diagnostica d’eccellenza per rivelazione di tumori al seno in fase iniziale con una sensibilità che può arrivare ad assumere valori tra l’85 e il 90%. Tuttavia nel caso delle giovani donne in cui la componente adiposa è poco rappresentata, nel caso di pazienti con impianti o precedentemente sottoposte ad interventi chirurgici o radioterapici, l’accuratezza diagnostica risulta sensibilmente ridotta. In tutti questi casi è pertanto necessario integrare l’esame mammografico con altre metodiche d’indagine. Le tecniche proprie della medicina nucleare, oltre ad essere comunque una fonte di informazioni aggiuntive di tipo funzionale che si affianca a quelle di tipo morfologico fornite dalla mammografia, possono rappresentare a tal proposito una valida metodica d’indagine di screening secondario in grado di supportare l’esame mammografico nei casi in cui la sua accuratezza diagnostica diminuisce.
Un esame di medicina nucleare avviene sostanzialmente somministrando al paziente una piccola quantità di radiofarmaco e andando a rivelare le radiazioni emesse dal radioisotopo stesso. Data la peculiarità del radiofarmaco somministrato di essere assorbito in concentrazioni diverse da tessuti cancerogeni o tessuti sani è possibile risalire alle caratteristiche intrinseche morfologiche e funzionali del tumore (sede, estensione e atteggiamento biologico) e alle modificazioni da esso indotte su organi o apparati. Le strumentazioni convenzionali proprie della medicina nucleare (SPECT, PET cliniche) hanno tuttavia risoluzione spaziale inadatta alla rivelazione di carcinoma mammario nella sua fase iniziale. Ne deriva il sempre maggiore interesse della ricerca nello studio di nuove metodiche di imaging dedicato aventi caratteristiche tali da permettere una diagnosi precoce del tumore alla mammella.
Il principio fisico del tomografo realizzato è lo stesso della SPECT, tuttavia il design compatto e le dimensioni ridotte fanno sì che possa essere posto in prossimità dell’organo in esame con conseguente aumento della risoluzione spaziale dell’apparato e possibilità di escludere dal campo di vista del tomografo organi ad alto uptake (quali cuore, polmone ecc…) che producono una radiazione di fondo che andrebbe a degradare l’immagine.
Il tomografo è costituito da due teste di rivelazione SPECT rotanti attorno alla mammella pendula (geometria VAOR, Vertical Axis of Rotation). La modalità di acquisizione è di tipo step&shoot che può essere statica o ruotare su di un arco di rotazione che va da un minimo di 180° ad un massimo di 360°. Il numero di proiezioni acquisite è scelto dall’operatore e va da 1 (statica) fino a 128. Il campo di vista ha raggio variabile a seconda dell’organo in esame e permette lo studio di mammelle fino a 14 cm di diametro. Ciascuna testa di rivelazione è composta da un collimatore in Piombo a fori paralleli di forma esagonale appartenente alla categoria dei ‘General Purpose’, un cristallo scintillatore pixellato NaI(Tl) e tre fototubi sensibili alla posizione a multi anodo con dinodi a canale metallico (H8500, Hamamatsu). I fotoni emessi dal radiofarmaco iniettato nella paziente interagiscono col cristallo scintillatore dando origine a fotoni a più bassa energia nel range del visibile, i quali vengono raccolti dai fototubi e trasformati in un segnale elettrico. Quando due o più fototubi vengono raggruppati in maniera tale da formare un detector di area più grande, si formano zone morte all’interfaccia tra due fototubi: la luce di scintillazione proveniente dai cristalli della matrice di NaI che va a colpire tali aree risulta perduta. E’ tuttavia possibile recuperare parte dei fotoni di scintillazione grazie ad uno spessore di vetro presente tra cristallo e fototubi. Questo, agendo da diffusore, fa sì che la luce investa simultaneamente fototubi adiacenti rendendo possibile la ricostruzione dell’evento.
Il read-out del singolo tubo avviene mediante una catena resistiva a due stadi. Il sistema di acquisizione non nasce come sistema dedicato per il progetto SPEMT, bensì deriva da quello già presente sul tomografo per piccoli animali YAP-(S)PET sviluppato per acquisire eventi correlati nel tempo relativi a coppie di fotomoltiplicatori diametralmente opposti e composti da un singolo fototubo ciascuno. Per poter gestire i tre fototubi che compongono ogni singola testa sono stati utilizzate due schede di acquisizione modificate in maniera tale da poter recuperare gli eventi che vanno a incidere sulle aree morte combinando i segnali provenienti dai due fototubi adiacenti.
L’algoritmo di ricostruzione delle zone morte fa parte di un software dedicato mediante il quale è possibile effettuare tutte le operazioni di analisi necessarie in fase di calibrazione del tomografo e produrre i files necessari alla ricostruzione delle immagini. In particolare, il software è in grado di: creare la Look-up table, normalizzare l’efficienza e uniformare il guadagno dei singoli cristallini che compongono la matrice di scintillatore, tenere conto della variazione di attività dovuta al decadimento del radiofarmaco durante l’acquisizione, correggere i conteggi degli eventi rivelati tenendo conto del tempo morto delle schede di acquisizione, produrre un planogramma relativo ad ogni proiezione angolare nel quale sono riportati i conteggi registrati in ogni singolo cristallino, generare il sinogramma dell’acquisizione tomografica.
Nella prima fase di questo lavoro di tesi è stato completato l’assemblaggio del tomografo mediante l’istallazione e messa a punto della seconda testa di rivelazione. Per completare la messa a punto del tomografo mediante calibrazione e allineamento geometrico delle due teste il rivelatore è stato trasportato presso il reparto di Medicina Nucleare dell’Ospedale S.Chiara di Pisa ove abbiamo avuto accesso a materiale radioattivo liquido (Tecnezio, 99mTc) con il quale realizzare le sorgenti radioattive di cui abbiamo avuto bisogno. Per riuscire ad individuare e correggere lo shift assiale tra le due teste e gli angoli di tilt presenti su ciascuna di esse sono state sviluppate varie metodiche e realizzate procedure servendosi di sorgenti lineari e puntiformi con l’ausilio di appositi capillari di piccolo diametro.
Per ciascuna testa è stato corretto anche il centro di rotazione implementando un programma in ambiente Matlab in grado calcolare lo shift del centro di rotazione a partire dalla lettura del sinogramma relativo ad un’acquisizione tomografica.
Nella fase finale della sperimentazione sono state studiate le diverse metodiche con le quali è possibile rielaborare i dati forniti dal tomografo. La ricostruzione delle immagini avviene a partire dal sinogramma “somma delle due teste”. La procedura standard prevede che i dati forniti da ciascuna delle due teste vengano rielaborati come se questi fossero appartenenti ad una stessa testa, ovvero sommando le proiezioni acquisite dai due rivelatori quando questi si trovano nella stessa posizione angolare. Sono stati studiati due metodi alternativi di composizione dei dati ed è stata valutata la risoluzione spaziale del tomografo nelle tre direzioni assiale, radiale e tangenziale sulle immagini ricostruite utilizzando le tre diverse metodiche di composizione dati.
E’ stato infine effettuato un primo studio preliminare su fantoccio, atto a simulare una mammella avente lesioni tumorali interne, ricostruendo le immagini secondo la procedura standard e secondo una delle metodiche alternative studiate che è risultata avere, in fase sperimentale, valori di risoluzione spaziale migliori.
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