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• PET
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Caratterizzazione della risposta temporale di rivelatori PET basati su fotomoltiplicatori al Silicio e cristalli LYSO e LFS-3
RELATRICE: Maria Giuseppina Bisogni
CANDIDATA: Gabriella Bonfiglio
La Positron Emission Tomography (PET) è una tecnica di imaging in emissione che consiste nell’iniettare un precursore metabolico marcato con nuclei emettitori di positroni e nella successiva rivelazione in coincidenza temporale dei due fotoni antilineari da 511 keV, emessi simultaneamente in seguito all’annichilazione del positrone nel tessuto. La PET è in grado di fornire la concentrazione del radiotracciante in seguito all’individuazione della direzione lungo la quale vengono rivelati i due fotoni di annichilazione; ciò avviene tramite l’uso di opportuni algoritmi che combinano le linee di volo acquisite a vari angoli. Il rapporto segnale su rumore (SNR) delle immagini dipende da molti fattori quali la risoluzione energetica, la risoluzione temporale, la sensibilità dello scanner, il numero di eventi rivelati e, non ultimo, l’algoritmo di ricostruzione usato.
Una tecnica in grado di restringere la zona in cui avviene l’evento è la Time Of Flight (TOF)-PET basata sulla misura della differenza temporale nella rivelazione dei due gamma prodotti in seguito all’annichilazione. Anche se allo stato attuale tale tecnica non consente una localizzazione diretta del punto di annichilazione, ciò nonostante fornisce delle immagini con SNR superiore rispetto alle immagini ricostruite senza l’informazione del tempo di volo. Tuttavia, per ottenere un guadagno significativo nella qualità delle immagini dall’applicazione della tecnica TOF, è necessario che la risoluzione temporale del sistema PET sia inferiore a 200 ps: da ciò la richiesta di individuare rivelatori con elevate prestazioni temporali. I rivelatori utilizzati in PET sono essenzialmente costituiti da cristalli scintillatori inorganici accoppiati otticamente a fotorivelatori: le prestazioni temporali sono dunque determinate sia dal tempo di salita del segnale luminoso emesso dallo scintillatore sia dalla velocità di risposta del fotorivelatore. Gli attuali scanner che implementano l’informazione TOF raggiungono prestazioni temporali in termini di risoluzione di circa 500 ps.
Una reale prospettiva di applicazione della TOF-PET agli scanner clinici è sorta grazie all’avvento dei fotomoltiplicatori al silicio (o Silicon Photomultipliers, SiPM). Un SiPM è sostanzialmente una matrice di diodi operanti in modalità Geiger: ogni fotone che incide su uno degli elementi (microcella o pixel) della matrice può innescare il meccanismo di scarica della microcella che porta alla formazione di un segnale di carica, indipendente dalla sua energia. Tale segnale è poi sommato a quelli provenienti dalle altre microcelle, fornendo in uscita un segnale proporzionale al numero di fotoni rivelati. Oltre ad essere caratterizzati da elevati guadagni ottenibili a basse tensioni di alimentazione, i SiPM presentano anche eccellenti prestazioni in termini di risoluzione temporale rendendoli i candidati ideali per l’applicazione TOF-PET.
Alla luce di quanto detto, questo lavoro di tesi ha avuto l’obiettivo di individuare un sistema di rivelazione caratterizzato da una risoluzione temporale tale da permettere l’utilizzo della TOF-PET, confrontando la risoluzione temporale di coincidenza (Coincidence Time Resolution,CTR) di SiPM accoppiati a diversi tipi di cristalli scintillanti. La CTR è la risposta temporale di una coppia di rivelatori posti in coincidenza tra loro: quando un fotone è rivelato viene aperta una finestra temporale, la cui durata è solitamente di qualche ns, durante la quale ci si aspetta la rivelazione di un secondo fotone sul secondo rivelatore; se ciò avviene, i due fotoni vengono associati ad uno stesso evento di annichilazione. Nel caso in cui si disponga di una statistica sufficiente, la differenza temporale tra i tempi di arrivo dei due fotoni è distribuita come una Gaussiana, la cui FWHM è la CTR.
In questo lavoro di tesi, il primo capitolo è dedicato alla descrizione dello stato d’arte della PET con particolare riferimento alla risoluzione spaziale, temporale ed energetica e una breve descrizione della tecnica TOF-PET.
Nel secondo capitolo vengono individuate e discusse le caratteristiche fisiche di un cristallo scintillante che limitano la risoluzione temporale di uno scanner PET; vengono inoltre descritti gli scintillatori utilizzati, LYSO e l’LFS-3, noti per offrire un buon compromesso tra elevata resa luminosa e rapido tempo di decadimento della fluorescenza, rispettivamente 75% e 41 ns per LYSO e 85 % e 33 ns per LFS-3.
Il terzo capitolo è invece dedicato alla descrizione del funzionamento e delle proprietà dei SiPM.
Il quarto capitolo descrive le misure effettuate: innanzitutto si è avuto cura di individuare la tensione di alimentazione dei SiPM alla quale si abbiano le migliori prestazioni del sistema di rivelazione (equalizzazione del guadagno dei fotorivelatori e migliore risoluzione energetica dei cristalli accoppiati ai SiPM); in seguito, sono state effettuate le misure di coincidenza temporale al variare della soglia applicata, ottenendo come miglior risultato una CTR di 142 ps (SiPM NUV accoppiati a cristalli LYSO).
Il quinto capitolo contiene il riepilogo dei risultati ottenuti e la discussione delle possibili prospettive future.