Elaborazione digitale del segnale e dell'immagine nella tomografia a emissione di positroni di Jagiellonian

Titolo originale:

Digital Signal and Image Processing in Jagiellonian Positron Emission Tomography

Contenuto del libro:

La tomografia a emissione di positroni (PET) è una tecnica chiave nell'ambito dell'imaging medico, che consente di diagnosticare le funzioni dell'organismo e di seguire i cambiamenti tumorali. Nella misurazione PET al paziente viene iniettato un radiotracciante, contenente un gran numero di atomi metastabili di radionuclide, che emette positroni. Come risultato dell'annichilazione dei positroni, vengono prodotti due fotoni che viaggiano in direzioni quasi opposte e vengono registrati dal sistema di rilevamento posizionato in modo da circondare il corpo del paziente. Gli scanner PET più moderni utilizzano cristalli di scintillazione caratterizzati da un'elevata efficienza di rilevamento dei fotoni di annichilazione.

In questo contesto, vale la pena ricordare che la Jagiellonian PET (J-PET) Collaboration ha sviluppato un nuovo scanner PET per tutto il corpo basato su scintillatori di plastica. Questi ultimi sono molto più economici degli scintillatori di cristallo, il che offre l'opportunità di ridurre il costo elevato degli scanner PET e renderli più accessibili. Tuttavia, gli scintillatori plastici hanno un'efficienza di rilevamento dei quanti gamma molto inferiore rispetto ai cristalli di scintillazione inorganici. Ciò può essere compensato aumentando il campo visivo dello scanner e migliorando la risoluzione temporale nella misurazione del tempo di volo dei quanti gamma. Lo scanner J-PET è costituito da strisce di scintillatori plastici letti alle due estremità da una coppia di fotomoltiplicatori e disposti assialmente attorno a un tunnel tomografico cilindrico. La coordinata assiale del punto di interazione del fotone di annichilazione nella striscia di scintillatore è derivata dalla differenza del tempo di propagazione della luce misurata con la coppia di fotomoltiplicatori.

I principi operativi dello scanner J-PET sono simili a quelli dei tomografi convenzionali, con la differenza che le informazioni temporali altamente accurate sono di fondamentale importanza. Pertanto, lo scanner J-PET richiede la preparazione di metodi innovativi in ogni fase dell'elaborazione dei dati. L'obiettivo del lavoro presentato in questa tesi è lo sviluppo di algoritmi di elaborazione del segnale e dell'immagine che tengano conto dell'unicità del rilevatore J-PET. I metodi proposti includono: recupero del segnale basato su campioni di una forma d'onda registrata sull'uscita del fotomoltiplicatore, ricostruzione della posizione e del tempo di interazione del fotone di annichilazione nella striscia di scintillatore, classificazione dei tipi di eventi PET e ricostruzione dell'immagine che opera esclusivamente nello spazio immagine. A causa della diversità rispetto agli scanner PET convenzionali, la maggior parte dei metodi presentati in questa tesi sono soluzioni innovative nell'elaborazione digitale dei segnali e delle immagini in tomografia.