RICERCA ITALIANA     

Un tomografo PET per piccoli animali ad altissima risoluzione spaziale basato su fotomoltiplicatori al silicio ad alta granularita’

Università di Pisa

Abstract

Gli studi su piccoli animali condotti utilizzando la Positron Emission Tomography (PET) richiedono rivelatori ad alta risoluzione. Tradizionalmente si usano fotomoltiplicatori sensibili alla posizione (PSPMT) accoppiati a scintillatori inorganici. Questi rivelatori sono pero’ costosi, necessitano di un'elevata tensione di alimentazione ed hanno una bassa frazione di impacchettamento. Tuttavia, rispetto ai normali rivelatori a semiconduttore, hanno un elevato rapporto segnale-rumore.
Il fotomoltiplicatore al Silicio (SiPM) mostra di essere una promessa nella rivelazione di luce di scintillazione ed e’ quindi adatto ad applicazioni di Medicina Nucleare. Il SiPM e’ costituito da una matrice di piccoli fotodiodi a valanga operati in regime Geiger (microcelle di circa 40 micron x 40 micron); ogni microcella ha una propria resistenza di quenching. I SiPM sviluppati nell'ambito di questo progetto saranno composti da circa 1000 microcelle, e la loro efficienza quantica (QE) sara’ ottimizzata nell'intervallo di lunghezza d'onda 420-470 nm. Il funzionamento in regime Geiger produce un elevato guadagno (circa 10^6) a basse tensioni di alimentazione (circa 50 V). Tutte le uscite delle microcelle sono connesse in parallelo in modo che il segnale del SiPM sia la somma dei segnali delle microcelle; in questo modo si ottiene una risposta proporzionale al numero di fotoni incidenti in caso di flusso moderato.
Misure preliminari di caratterizzazione >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Alberto Del Guerra Università degli Studi di PISA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Lo scopo finale del progetto e’ quello di sviluppare una gamma camera ad altissima risoluzione, compatibile con sistemi di Risonanza Magnetica (RM), progettata con un design innovativo e basata sulla tecnologia di avanguardia dei fotomoltiplicatore al Silicio (SiPM) . Tale gamma camera potrà essere utilizzata nella realizzazione di sistemi PET per piccoli animali di nuova generazione, con risoluzione submillimetrica, combinati con sistemi RM.
Le prestazioni degli attuali sistemi PET per piccoli animali sono limitate dalla dimensione dei cristalli dei rivelatori e dagli errori di codifica della posizione da parte dei fototubi. Il valore di questo progetto risiede nella proposta di un rivelatore innovativo costituito da SiPM accoppiati a cristalli continui (ad es. LYSO o LuI3:Ce), che costituisce un passo in avanti rispetto alla presente tecnologia.

Il primo obiettivo di questo progetto e’ lo sviluppo di matrici di SiPM su un unico substrato, con efficienza quantica ottimizzata nel blu (fino a 420 nm), ovvero nella regione di emissione di scintillatori adatti all'uso in PET (LYSO, LuI3:Ce). Tali matrici avranno una bassa percentuale di area morta, in modo da avere una PDE (Photo Detection Efficiency) piu’ alta possibile; ogni elemento avrà un'area attiva di 1x1 mm^2 con un passo di 1.5 mm. Il blocco base sara’ costituito da matrici di 8x8 elementi, mentre il rivelatore finale sara’ composto da 2x4 matrici di questo tipo che leggeranno uno >>>

Risultati parziali attesi

Le prestazioni degli attuali sistemi PET per piccoli animali sono limitate dalla discretizzazione introdotta dai cristalli e dagli errori di codifica della posizione da parte dei fototubi sensibili alla posizione. Il rivelatore proposto, basato su matrici di SiPM e scintillatore continuo (LYSO o LuI3:Ce), rappresenta un'innovazione rispetto alla tecnologia attuale. La testa di rivelazione che si vuole realizzare presenterà numerosi vantaggi rispetto ai sistemi esistenti attualmente nel panorama degli scanner PET dedicati all’imaging di piccoli animali.

- Miglioramento della risoluzione spaziale. Ci si aspetta di ottenere una risoluzione reale al di sotto del millimetro, molto vicina alla risoluzione intrinseca della tecnica PET.
Le simulazioni del rivelatore basato su SiPM e LYSO predicono una risoluzione intrinseca di 0.3 mm FWHM in una zona di 30 mm al centro del campo di vista del rivelatore. In base all'esperienza acquisita sui sistemi PET per piccoli animali, ci si aspetta una risoluzione reale di circa 0.5 mm FWHM. Questi valori sono difficilmente raggiungibili dagli attuali sistemi PET basati su fototubi a causa della discretizzazione dei rivelatori e degli errori di codifica della posizione.
La geometria planare del tomografo ci permetterà di mantenere la risoluzione all'incirca costante su tutto il campo di vista, al contrario di quanto avviene per i tomografi ad anello, che presentano una degradazione della risoluzione >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Per molti anni, i modelli animali sono stati usati nella ricerca biomedicale per lo studio di meccanismi e possibili cure di malattie umane, per la validazione di terapie geniche e per lo sviluppo di nuovi farmaci [Paigen K. A., 1995] [Chien KR., 1996]. Grazie alla sua particolare sensibilita’, l’imaging di piccoli animali, quali topi e ratti, con radioisotopi per mezzo della tomografia ad emissione di positroni (PET) ad alte prestazioni, rappresenta la tecnica standard per l’indagine di imaging molecolare. Il topo e’ stato a lungo utilizzato dai biologi molecolari per studiare i principali meccanismi cellulari in vivo ma le sue relativaente piccole dimensioni (peso circa 20 g) rendono difficile l’utilizzo di strumenti sviluppati per l’uomo. Ad esempio, la sensibilita’ e la risoluzione spaziale degli scanner PET disponibili non sono adeguati per la determinazione qualitativa e quantitativa dell’espressione del gene in vivo. Quindi, la PET per piccoli animali con strumentazione dedicata rappresenta un valido approccio per l’indagine in vivo dei processi molecolari a livello cellulare; ad esempio, il metabolismo anormale del glucosio (marcatore della presenza di cellule tumorali) oppure l’alterazione metabolica causata dalla presenza o assenza di cellule transgeniche [Phelps ME., 2000].
Oggigiorno, esistono disponibili sul mercato alcuni scanner PET per piccoli animali completamente ingegnerizzati.
Il sistema MicroPET Focus(TM) 120 [www.medical.siemens.com >>>