Correzione post-reconstruction voxel-by-voxel dell'Effetto di Volume Parziale in imaging emissivo

La tesi riguarda la correzione dell'Effetto di Volume Parziale in imaging emissivo. In particolare sono state considerate tecniche di correzione voxel-by-voxel basate su metodi iterativi e analitici. Lo studio è stato effettuato su una tomografia SPECT del fantoccio NEMA

Modelling and development of tissue-equivalent dosimeters for small field radiotherapy.

A radiotherapy treatment is a clinical treatment which makes use of ionizing radiation to treat cancerous diseases. However, the ionizing radiation interacting within the cells can lead to DNA damage in both the cancerous and normal tissues. Therefore the exact knowledge of the dose delivered to the patient is essential because it greatly affects the effectiveness of the treatment. Dosimetry is usually performed by air ionization chambers however their use in the dosimetry of small photon beams is limited by their large sensitive volume. The ideal detector has a small, water-equivalent sensitive volume but the design of the detector and the presence of the encapsulation materials placed in close proximity to the sensitive volume can cause perturbations to the radiation fluence. The Monte Carlo method is the ideal tool because it allows a detailed investigation of the perturbation effects of each detector component but a Monte Carlo model often requires detailed information of the device which can be difficult to access. In this study, an experimental approach involving the use of CT scans and fluorescence spectroscopy in the measurements of the physical properties of a liquid ion chamber was explored. The performance of eight single crystal CVD diamond detectors in the dosimetry of photon beams was also assessed. One of the drawbacks of diamond detectors is the dose rate dependence. The evaluation of the dose rate dependence using clinical photon beams is controversial because the dose rate can be varied by either changing the source to detector distance or the Pulse Repetition Frequency of the LINAC machine. A simple analytical model of the charge collection dynamics was written in the Matlab code to understand the effects introduced by a pulsed radiation beam. The outcome of this study correlates the PRF dependence with the presence of deeper traps

Caratterizzazione di un fascio di protoni da 62 MeV con un rivelatore a pixel di silicio

L'adroterapia e` una tecnica particolare di radioterapia che prevede l'uso di particelle cariche pesanti, come ad esempio i protoni, per l'irraggiamento di cellule cancerose. Grazie alla loro elevata Efficacia RadioBiologica (RBE) e alla caratteristica curva di distribuzione della dose al variare della profondita` di penetrazione, le particelle pesanti risultano idonee al trattamento di tumori profondi oppure prossimi ad organi critici. Esse permettono infatti di fornire tutta la dose alle cellule cancerose risparmiando il piu` possibile i tessuti sani circostanti. Attualmente l'unico centro di adroterapia in Italia e` il centro CATANA (Centro di AdroTerapia ed Applicazioni Nucleari Avanzate) nato nel 2002 a Catania da una collaborazione fra i Laboratori Nazionali del Sud dell'INFN con sede a Catania (LNS-Catania), la Clinica Oculistica, l'Istituto di Radiologia ed il Dipartimento di Fisica dell'Universita` degli Studi di Catania. Il centro e` provvisto di un Ciclotrone Superconduttore che accelera protoni fino ad un'energia di 62 MeV. Una linea del Ciclotrone Superconduttore e` dedicata al trattamento di melanomi della coroide e dell'iride. All'uscita del ciclotrone i protoni attraversano una serie si elementi che modellano il fascio in modo da fornire le caratteristiche geometriche e dosimetriche adatte ad una seduta di trattamento. In particolare, tramite l'uso di "range shifters" e modulatori e` possibile per ogni paziente definire la profondita` di penetrazione del fascio di protoni. Inoltre, tramite collimatori di ottone personalizzati e` possibile conformare l'estensione laterale del fascio alla forma del tumore. Le caratteristiche fisiche e dosimetriche del fascio vengono determinate prima di ogni trattamento radioterapico. Le misure di dosimetria sono effettuate attraverso camere a ionizzazione poste lungo la linea del fascio come monitoraggio continuo durante l'irraggiamento; la dosimetria assoluta del fascio viene invece effettuata prima di ogni trattamento mediante un' ulteriore camera a ionizzazione montata sulla sedia motorizzata. I profili laterali del fascio sono acquisiti scandendo la sezione trasversale del fascio con un diodo mentre le caratteristiche geometriche vengono misurate attraverso una lastra di GAF-Cromico. Questi sistemi, pur essendo accurati e riproducili, tuttavia prevedono lunghi tempi di acquisizione e non permettono un'analisi on-line dei dati. A tale proposito e` stato effettuato uno studio di fattibilita` riguardo la possibilita` di utilizzare un sistema di rivelazione a pixel di silicio in grado di fornire on-line le immagini della sezione trasversale del fascio ed informazioni dosimetriche. Il sistema impiegato si basa sul rivelatore a conteggio del singolo evento MPX2 sviluppato nell'ambito della collaborazione Medipix2 composta da 17 istituti di ricerca Europei e Nordamericani, tra cui anche il Dipartimento di fisica dell'Universita` di Pisa e l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Il sistema e` composto da una lastra di silicio dello spessore di 300 um e dal chip di lettura MPX2. Su una superficie della lastra e` stata realizzata una matrice di 256x256 pixel quadrati di lato pari a 55 um; ogni pixel e` collegato al proprio canale di lettura mediante bump-bonding. L'interazione all'interno del silicio porta alla formazione di coppie elettrone-lacuna che migrano verso i rispettivi elettrodi tramite un campo elettrico applicato ai capi del rivelatore. La carica raccolta in ogni pixel viene elaborata dal corrispettivo canale di lettura, in particolare viene convertita in un segnale di tensione passando attraverso un preamplificatore e confrontata con una soglia minima e con una soglia massima all'interno di un comparatore a doppia soglia; un contatore a 13 bit viene incrementato di una unita` nel caso in cui il segnale cada all'interno di questa finestra. Per comprendere ed ottimizzare la risposta del rivelatore ad un flusso di protoni e` stata scritta una simulazione del nostro rivelatore all'interno della piattaforma di lavoro GEANT4; in particolare e` stato simulato il deposito di energia da parte di un fascio di protoni monoenergetico di 62 MeV all'interno di una lastra di silicio spesso 300 um opportunamente suddivisa in pixel. Successivamente sono state ottenute immagini della sezione trasversale del fascio simulando l'intera linea del fascio. I conteggi per ogni pixel sono stati ottenuti mediante un semplice controllo sull'energia depositata nell'elemento. Durante il lavoro di tesi sono stati effettuati due turni di presa dati al centro CATANA. Nei due turni di presa dati e` stata indagata la risposta del sistema di rivelazione MPX2 al variare della dose, del rateo di dose del fascio di protoni e del tempo di esposizione; sono state inoltre effettuate misure di riproducibilita` . Tale caratterizzazione e` stata preceduta da un lavoro di calibrazione del sistema. Per questo scopo sono stati utilizzati impulsi test di ampiezza variabile inviati direttamente all'elettronica di ogni singolo canale, sorgenti radioattive ed un tubo a raggi X. Durante il primo test beam, come misura preliminare e` stato effettuato un confronto fra il nostro sistema e un contatore di riferimento basato su uno scintillatore YAP: il nostro sistema ha misurato un flusso di protoni di 5.05x105 Hz/nA mm^2 normalizzato per la corrente del fascio, mentre 5.09x105 Hz/nA mm^2 e` il flusso misurato dal sistema a scintillazione. I due valori risultano paragonabili all'interno dell'errore del 5% dominato dalle fluttuazioni della corrente di fascio. Abbiamo quindi indagato la risposta del nostro sistema al variare della dose e del rateo di dose. Le analisi dei dati mostrano un andamento lineare al variare della dose ed indipendente dal rateo di dose fino a valori tre volte superiori rispetto al valore di 15 Gymin utilizzato normalmente in un trattamento radioterapico. La risposta si e` inoltre mostrata lineare al variare del tempo di esposizione e riproducibile. Si sono infine acquisite immagini interponendo fra il rivelatore e l'ultimo collimatore della linea del fascio degli spessori di lucite di dimensioni variabili in modo da misurare la variazione della zona di penombra del fascio. I profili trasversali di queste immagini sono state in seguito confrontati con quelli relativi alle immagini ottenute dalla simulazione in GEANT4. Il limite di questo sistema di rivelazione risiede nelle dimensioni; la superficie del rivelatore e` infatti pari a 14 * 14 mm^2, troppo piccola per poter coprire la massima sezione trasversale del fascio di 25 mm di diametro. A tal proposito si pensa in seguito di utilizzare una versione del sistema di superficie quadrupla ottenuta affiancando quattro sistemi di rivelazione in modo tale da estendere la superficie sensibile ad un quadrato di 28 * 28 mm^2

Full-beam performances of a PET detector with synchrotron therapeutic proton beams

Treatment quality assessment is a crucial feature for both present and nextgeneration ion therapy facilities. Several approaches are being explored, based on prompt radiation emission or on PET signals by β+;-decaying isotopes generated by beam interactions with the body. In-beam PET monitoring at synchrotron-based ion therapy facilities has already been performed, either based on inter-spill data only, to avoid the influence of the prompt radiation, or including both in-spill and inter-spill data. However, the PET images either suffer of poor statistics (inter-spill) or are more influenced by the background induced by prompt radiation (in-spill). Both those problems are expected to worsen for accelerators with improved duty cycle where the inter-spill interval is reduced to shorten the treatment time. With the aim of assessing the detector performance and developing techniques for background reduction, a test of an in-beam PET detector prototype was performed at the CNAO synchrotron-based ion therapy facility in full-beam acquisition modality. Data taken with proton beams impinging on PMMA phantoms showed the system acquisition capability and the resulting activity distribution, separately reconstructed for the in-spill and the inter-spill data. The coincidence time resolution for in-spill and inter-spill data shows a good agreement, with a slight deterioration during the spill. The data selection technique allows the identification and rejection of most of the background originated during the beam delivery. The activity range difference between two different proton beam energies (68 and 72 MeV) was measured and found to be in submillimeter agreement with the expected result. However, a slightly longer (2 mm) absolute profile length is obtained for in-spill data when compared to inter-spill data

A detector module composed of pixellated crystals coupled to SiPM strips

A detector based on a pixellated scintillator crystal coupled on two opposite sides to Silicon Photomultiplier (SiPM) strips is presented. In one direction the width of the SiPM strips matches the crystal pitch, while in the other direction the strip length is equal to the crystal pitch times the number of pixels in a row. The SiPM strips on one side are orthogonal to the strips on the other side. The crystal position can be identified using a row-column coding method. As a proof of concept, a small prototype using an array of 8 × 8 LYSO crystals, each one 1.5 mm × 1.5 mm × 10 mm in dimensions, has been built. The crystal is coupled on both sides to monolithic matrices composed of 8 SiPM strips, each one 1.5 mm wide (pitch) and 12 mm long by means of silicon grease. SiPMs strips have been obtained connecting in parallel single pixels belonging to a monolithic matrix, where each pixel has the same pitch of the scintillating crystal coupled to it. This arrangement allows a reduction from N2 to 2N of the number of analog channels needed to read-out the entire crystal array. Furthermore, this method provides the information about the Depth of Interaction of the primary particles impinging on the detector. The results of the prototype characterization in terms of energy and Depth Of Interaction resolution capabilities are presented here. © 2014 IOP Publishing Ltd and Sissa Medialab srl

Performance of a fast acquisition system for in-beam PET monitoring tested with clinical proton beams

In this work we present the performance of a fast acquisition system for in-beam PET monitoring during the irradiation of a PMMA phantom with a clinical proton beam. The experimental set-up was based on 4 independent detection modules. Two detection modules were placed at one side of a PMMA phantom and the other two modules were placed at the opposite side of the phantom. One detection module was composed of a Silicon Photon Multiplier produced by AdvanSiD coupled to a single scintillating LYSO crystal. The read-out system was based on the TOFPET ASIC managed by a Xilinx ML605 FPGA Evaluation Board (Virtex 6). The irradiation of the PMMA phantom was performed at the CNAO hadrontherapy facility (Pavia, Italy) with a 95 MeV pulsed proton beam. The pulsed time structure of the proton beam was reconstructed by each detection module. The β+ annihilation peak was successfully measured and the production of β+ isotopes emitters was observed as increasing number of 511 keV events detected during irradiation. Finally, after the irradiation, the half lives of the 11C and 15O radioactive isotopes were estimated. © 2015 Elsevier B.V. All rights reserved

Depth of interaction determination in monolithic scintillator with double side SiPM readout

Background: Monolithic scintillators read out by arrays of photodetectors represent a promising solution to obtain high spatial resolution and the depth of interaction (DOI) of the annihilation photon. We have recently investigated a detector geometry composed of a monolithic scintillator readout on two sides by silicon photomultiplier (SiPM) arrays, and we have proposed two parameters for the DOI determination: the difference in the number of triggered SiPMs on the two sides of the detector and the difference in the maximum collected signal on a single SiPM on each side. This work is focused on the DOI calibration and on the determination of the capability of our detector. For the DOI calibration, we studied a method which can be implemented also in detectors mounted in a full PET scanner. We used a PET detector module composed of a monolithic 20 × 20 × 10 mm3 LYSO scintillator crystal coupled on two opposite faces to two arrays of SiPMs. On each side, the scintillator was coupled to 6 × 6 SiPMs. In this paper, the two parameters previously proposed for the DOI determination were calibrated with two different methods. The first used a lateral scan of the detector with a collimated 511 keV pencil beam at steps of 0.5 mm to study the detector DOI capability, while the second used the background radiation of the 176Lu in the scintillator. The DOI determination capability was tested on different regions of the detector using each parameter and the combination of the two. Results: With both parameters for the DOI determination, in the lateral scan, the bias between the mean reconstructed DOI and the real beam position was lower than 0.3 mm, and the DOI distribution had a standard deviation of about 1.5 mm. When using the calibration with the radioactivity of the LYSO, the mean bias increased of about 0.2 mm but with no degradation of the standard deviation of the DOI distribution. Conclusions: The two parameters allow to achieve a DOI resolution comparable with the state of the art, giving a continuous information about the three-dimensional interaction position of the scintillation. These results were obtained by using simple estimators and a detector scalable to a whole PET system. The DOI calibration obtained using lutetium natural radioactivity gives results comparable to the other standard method but appears more readily applicable to detectors mounted in a full PET scanner

A four-dimensional photon detector for PET application

We analyzed a photon detector for positron emission tomography with high spatial resolution and depth of interaction capability. The detector is composed of a monolithic LYSO scintillator crystal coupled on top and bottom sides to two custom SiPM arrays. We investigated the ability to reconstruct the DOI of the 511 keV photon comparing the number of triggered SiPMs on the two sides of the module. Acquisitions were performed scanning the lateral surface of the crystal with a collimated 511 keV photon beam at different incident positions. A standard deviation of 1.5 mm in depth of interaction was obtained at the center of the module