reSPECT: Towards a new family of nuclear imaging gamma detectors

• Codice progetto: 2022Z72Y3K
• Inizio e fine progetto: 28/09/2023 -27/09/2025
• Proroga: 28/02/2026
• Fonte di finanziamento: MUR Avviso 104/2022 – PNRR – Next Generation EU, Missione 4 Componente 2 Investimento 1.1 – “Fondo per il Programma Nazionale di Ricerca e Progetti di Rilevante Interesse Nazionale (PRIN)”
• CUP: F53D23001500006
• Finanziamento CREF: 106.408,80 €
• Costo totale del progetto: 133.684,00 €

Principal Investigator

Michela Marafini

Partenariato PRIN

1. Coordinatore (PI) CREF – Michela Marafini
2. Unità di ricerca Università degli Studi di Roma Sapienza – Dipartimento SBAI – Marco Toppi
3. Unità di ricerca Università degli Studi di Trento – Roberto Passerone

Team di ricerca e personale reclutato nell’ambito del Progetto

• Coordinatore del gruppo di ricerca: Michela Marafini
• Componente del gruppo di ricerca: Marco Garbini
• Componente del gruppo di ricerca: Arianna Vannucci (assegno di ricerca CREF)
• Titolare assegno di ricerca reclutato con il progetto: Marta David
• Titolare assegno di ricerca reclutato con il progetto: Mattia Bonuso

Risultati raggiunti

Il progetto ha dimostrato la fattibilità di un rivelatore gamma compatto, flessibile ed economicamente vantaggioso per l’imaging nucleare, basato su scintillatori plastici drogati con elementi ad alto numero atomico (high-Z). Simulazioni Monte Carlo (MC) condotte con FLUKA hanno guidato l’ottimizzazione della geometria del rivelatore, del tipo e della concentrazione del drogante, dei materiali del collimatore, delle soglie energetiche, della sensibilità e della risoluzione spaziale. È stato progettato e realizzato un prototipo modulare di 5 × 5 cm², che integra un collimatore in tungsteno e uno scintillatore segmentato. Sono stati prodotti e caratterizzati sperimentalmente scintillatori drogati con piombo e bismuto, incluse formulazioni brevettate con concentrazioni di Bi fino al 10%. Particolare attenzione è stata dedicata al bilanciamento tra concentrazione di elementi high-Z, trasparenza ottica e resa luminosa, nonché allo sviluppo di una formulazione foto-polimerizzabile compatibile con la stampa 3D MSLA e con l’integrazione diretta in strutture metalliche. Sono stati inoltre studiati algoritmi di ricostruzione da testare in configurazioni di tipo SPECT. Parallelamente, è stata progettata e validata un’architettura di lettura digitale scalabile basata su sensori CMOS SPAD e schede FPGA. Il sistema supporta elevate frequenze di conteggio, il funzionamento in rete di più moduli, la compressione dei dati e la linearizzazione della risposta dei sensori. Nel complesso, le attività integrate di simulazione, sviluppo dei materiali, realizzazione del rivelatore e progettazione del sistema di lettura hanno validato la tecnologia proposta e posto le basi per un sistema modulare e scalabile di imaging nucleare.

Pubblicazioni scientifiche

• Bonuso et al. Development of High-Z Organic Scintillators for Modern SPECT Imaging and Theranostic Dosimetry, BAMS Journal (Bio-Algorithms and Med-Systems) 2025 DOI:10.5604/01.3001.0055.5412
• Tontini et al. A post-processing histogram compensation method for SPAD-based d-ToF LiDAR systems for high photon flux measurements. IEEE Access, 2024 DOI: 10.1109/ACCESS.2024.3463473

Eventi organizzati o partecipazione a convegni

• Quattrini Oral Presentation at Jagiellonian Symposium 2025 – Development of high-Z organic scintillators for modern SPECT imaging and theranostic dosimetry
• Vannucci Oral Presentation at SIF 2025 The reSPECT and Trondheim projects for the usage of high-Z doped plastic scintillators in SPECT imaging and radiometabolic dosimetry
• Vannucci Oral Presentation at SIF School Varenna 2025 Innovative applications of high-Z doped plastic scintillators in radiometabolic dosimetry: the ReSPECT and Trondheim projects
• Vannucci Oral Presentation at AIFM 2025 Development of high-Z doped plastic scintillators for SPECT imaging and radiometabolic dosimetry
• Quattrini Oral Presentation at IDF 2025 Development of high-Z doped plastic scintillators for SPECT imaging and radiometabolic dosimetry
• Bonuso Poster Presentation at VCI 2025 New high-Z organic scintillators for total-body SPECT and theranostic dosimetry
• Traini Oral Presentation at SCINT2024 A new class of plastic scintillators for fast timing detector and medical applications
• De Gregorio Oral Presentation at Jagielloniam Symposium 2024 Organic high-Z scintillators for a flexible and fast total body nuclear imaging
• Marafini E-Poster Presentation at PSMR 2024 The reSPECT project for a flexible and fast total body nuclear imaging diagnoses with high-Z organic scintillators
• Traini E-Poster Presentation at PS 2024 The reSPECT project: an innovative SPECT detection system based on high-Z organic scintillators
• Garbini Oral Presentation at SIF2024 High-Z plastic scintillators for an innovative SPECT detection system: the reSPECT projectA fluorescence-based beam monitor for ultra-high dose rate therapeutical beams
• Marafini Oral Presentation at iWorid 2024 A new nuclear imaging detection technology for total body, flexible and fast SPECT diagnoses
• Quattrini Oral resentation at SIRR 2023 Characterisation of innovative organic scintillators for a modern SPECT detection system
• Alessandro Tontini A histogram compensation process for SPAD-based d-ToF LiDAR systems for high photon flux measurements. In Peter Schelkens and Tomasz Kozacki, editors, Optics, Photonics, and Digital Technologies for Imaging Applications VIII, volume 12998, page 129980X, Strasbourg, France, April 7–11, 2024. International Society for Optics and Photonics, SPIE.

Poster, materiali divulgativi, output

• Poster VCI 2025: Bonuso – New high-Z organic scintillators for total-body SPECT and theranostic dosimetry
• E-Poster PSMR 2024: M.Marafini – The reSPECT project for a flexible and fast total body nuclear imaging diagnoses with high-Z organic scintillators

Tesi:

• Master Thesis in Physics: Flavia Allegra 2025 – Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali, Corso di Laurea in Fisica e Astrofisica – “Characterization of high-Z organic scintillators for innovative nuclear imaging” – Thesis has been carried out by Flavia Allegra at the University of Sapienza in Rome under the supervision of Prof. Marco Toppi and Dr. Michela Marafini.
• Bachelor Thesis in Physics: Johannes Elias Maria Deister 2025 – Department of Physics and Astronomy University of Heidelberg – “Monte Carlo based Characterization of Plastic Scintillators” – Thesis has been carried out by Johannes Elias Maria Deister at the University of Sapienza in Rome under the supervision of Prof. Marc Ladd, Dr. Peter Jörg and Dr. Michela Marafini.
• Master Thesis in Physics: Flaminia Quattrini 2024 – Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali, Corso di Laurea in Fisica e Astrofisica – “Characterization of innovative high-Z organic scintillators for a modern SPECT detection system: the reSPECT project” – Thesis has been carried out by Flaminia Quattrini at the University of Sapienza in Rome under the supervision of Dr. Giacomo Traini and Dr. Michela Marafini.
• Bachelor Thesis in Engineering: Alessia Rinaldi 2024 – Department of Information Engineering and Computer Science, Corso di Laurea in Ingegneria Informatica, delle Comunicazioni ed Elettronica – “Progettazione e verifica di un sistema di lettura dati provenienti da SBAM chip su FPGA: un Contributo al Progetto reSPECT.” – Thesis has been carried out by Alessia Rinaldi at the University of Trento under the supervision of Prof. Roberto Passerone and Dr. Enrico Manuzzato.
• Bachelor Thesis in Physics: Laura Scholz 2022 – LUDWIG-MAXIMILIANS-UNIVERSITÄT MÜNCHEN – “ReSPECT” – Thesis has been carried out by Laura Scholz at the University of Sapienza in Rome under the supervision of Prof. Katia Parodi, Prof. Vincenzo Patera and Dr. Michela Marafini.
• Master Thesis in Engineering: Federica Pietracci 2023 – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale, Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica – “Imaging SPECT innovativo con scintillatori organici ad alto Z: caratterizzazione e ottimizzazione del rivelatore.” – Thesis has been carried out by Federica Pietracci at the University of Sapienza in Rome under the supervision of Prof. Vincenzo Patera and Dr. Michela Marafini.

Attività per il grande pubblico:

Laboratorio: Festival della Scienza Genova 2024. Laboratorio, spazio Kids in the city. Palazzo Ducale – Il Torneo degli Elementi: la sfida di Fermi e la radioattività indotta – 23 ottobre – 4 novembre 2024. 1500 partecipanti (3-13 anni)

• Presentazione all’evento per giornalisti dedicato alla figura di Maria Skłodowska Curie 17 settembre 2024 CNRN Sessione Umano e Cosmico: “La radioterapia: le radiazioni che salvano la vita”.
• Laboratorio: Notte dei Riceratori 2024 Roma – Il Torneo degli Elementi.
• Quattrini Oral Presentation at ShareScience 2024 Innovative SPECT detection system based on high-Z plastic scintillators.
• SIF Prima Pagina, n. Ottobre 2024 M. Marafini “Il torneo degli elementi: gli esperimenti di Fermi diventano un gioco”.