EP0938685A1 - Procede et dispositif de traitement des signaux d'un ensemble de photodetecteurs ayant une architecture cellulaire, et application aux gamma-cameras - Google Patents

Procede et dispositif de traitement des signaux d'un ensemble de photodetecteurs ayant une architecture cellulaire, et application aux gamma-cameras

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Publication number
EP0938685A1
EP0938685A1 EP97913263A EP97913263A EP0938685A1 EP 0938685 A1 EP0938685 A1 EP 0938685A1 EP 97913263 A EP97913263 A EP 97913263A EP 97913263 A EP97913263 A EP 97913263A EP 0938685 A1 EP0938685 A1 EP 0938685A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
photodetectors
event
photodetector
intensity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP97913263A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Edmond Tournier
Bernard Chabert
Alain Chapuis
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP0938685A1 publication Critical patent/EP0938685A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/161—Applications in the field of nuclear medicine, e.g. in vivo counting
    • G01T1/164—Scintigraphy
    • G01T1/1641—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions using one or several scintillating elements; Radio-isotope cameras
    • G01T1/1647—Processing of scintigraphic data
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/208—Circuits specially adapted for scintillation detectors, e.g. for the photo-multiplier section
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof

Definitions

  • the present invention relates to the processing of data or signals originating from, or transmitted by, a set of N photodetectors, in response to an event to be characterized or identified, for example to locate.
  • the invention applies in particular to the determination of the characteristics, for example of energy and of position, of an event from signals supplied by photomultipliers equipping a gamma-camera; for example, the position of an event is identified with respect to the photomultipliers themselves.
  • gamma-camera is meant a camera sensitive to gamma radiation ( ⁇ ). Such cameras are used in particular for medical imaging purposes.
  • Gamma cameras allow in particular to visualize the distribution, in an organ, of molecules marked by a radioactive isotope previously injected into the patient.
  • the structure and operation of a known gamma camera are described and summarized below with reference to Figures 1, 2A and 2B attached.
  • Figure 1 shows a detection head 10 of a gamma camera placed in front of a body 12 containing molecules isotopically labeled radio ⁇ active.
  • the detection head 10 includes a collimator
  • the scintillator is, for example, a Nal crystal (T-f?).
  • the function of the collimator 20 is to select from all the gamma rays 30 emitted by the member 12 those which reach the detection head substantially under normal incidence.
  • the selective nature of the collimator makes it possible to increase the resolution and the sharpness of the image produced.
  • the increase in resolution comes at the expense of sensitivity. For example, for approximately 10,000 ⁇ photons emitted by the organ 12, a single photon is effectively detected.
  • the ⁇ photons having passed through the collimator reach the scintillator crystal 22 where almost each ⁇ photon is converted into a plurality of light photons.
  • an event designates each interaction of a gamma photon with the crystal, causing a scintillation.
  • the photomultipliers 26 are designed to emit an electrical pulse proportional to the number of light photons received from the scintillator for each event. So that a scintillation event can be located more precisely, the photomultipliers 26 are not directly attached to the scintillator crystal 22 but are separated from the latter by the light guide 24.
  • Photomultipliers emit a signal whose amplitude is proportional to the total quantity of light produced in the scintillator by gamma radiation, that is to say proportional to its energy.
  • the individual signal of each photomultiplier also depends on the distance which separates it from the point of interaction 30 of the gamma radiation with the material of the scintillator. Indeed, each photomultiplier delivers a current pulse proportional to the light flux it has received.
  • small graphs A, B, C show that photomultipliers 26a, 26b and 26c located at different distances from an interaction point 30 deliver signals with different amplitudes.
  • the position of the interaction point 30 of a gamma photon is calculated in the gamma camera from the signals coming from the set of photomultipliers by carrying out a barycentric weighting of the contributions of each photomultiplier.
  • FIG. 2A shows the electrical wiring of a detection head 10 of a gamma camera, which connects this camera to an imaging unit.
  • the detection head comprises a plurality of photomultipliers 26.
  • each photomultiplier 26 of the detection head is associated with four resistors denoted RX ⁇ , RX + , RY " and RY + .
  • the values of these resistors are specific to each photomultiplier and depend on the position of the photomultiplier in the detection head 10.
  • the resistors RX ⁇ , RX + , RY " and RY + of each photomultiplier are connected to the output 50 of said photomultiplier, represented in FIG. 2B with a symbol of current generator. They are on the other hand respectively connected to collector lines common noted LX ⁇ , LX + , LY “ , LY + , in Figure 2A.
  • the lines LX ⁇ , LX + , LY “ and LY + are in turn connected respectively to analog integrators 52X “ , 52X + , 52Y “ , 52Y + , and, through these to analog converters / digital 54X “ , 54X + , 54Y “ , 54Y + .
  • the output of the converters 54X “ , 54X + , 54Y “ , 54Y + is directed to a digital operator 56.
  • the lines LX “ , LX + , LY “ , LY + are also connected to a common channel, called the energy channel, which also includes an integrator 57 and an analog / digital converter 58 and its output is also directed to the operator 56.
  • the position of the interaction is calculated according to the following equations (US-4,672,462): _ x + - ⁇ - x ++ ⁇ -
  • X and Y indicate the coordinates along two orthogonal directions of the position of the interaction on the crystal and in which X + , X " , Y + , Y " indicate respectively the weighted signals delivered by the integrators 52X + , 52X “ , 52Y + , 52Y “ .
  • the calculation of the position of the interaction is marred by an uncertainty linked to the Poisson statistical fluctuations of the number of light photons and the number of photoelectrons produced for each event, that is to say for each gamma photon detected.
  • the standard deviation of the fluctuation is lower the higher the number of photons or photoelectrons. Because of this phenomenon, light should be collected as carefully as possible.
  • the intrinsic spatial resolution of the camera is characterized by the width at half-height of the distribution of the positions calculated for the same collimated point source placed on the scintillator crystal. For gamma rays with an energy of 140 keV, the resolution is generally of the order of 3 to 4 mm.
  • the energy of a detected gamma photon is calculated by summing the contributions of all the photomultipliers that have received light. It is also marred by a statistical fluctuation.
  • the energy resolution of the camera is characterized by the ratio of the width at half-height of the distribution of the energies calculated to the average value of the distribution, for the same source.
  • the energy resolution is generally of the order of 9 to 11% for gamma rays with an energy of 140 keV.
  • an Anger type gamma camera has the advantage of making it possible to calculate in real time the barycenter of the photomultiplier signals with very simple means.
  • the system described above comprises a limited number of components.
  • the resistors used to inject the signal from the photomultipliers into the collector lines are very inexpensive.
  • the counting rate is understood to mean the number of events, that is to say interactions between a ⁇ photon and the scintillator, which the camera is capable of processing per unit of time.
  • Gamma cameras are used not only in traditional imaging techniques, but also in two other medical imaging techniques where limiting the counting rate is also a crippling constraint.
  • the transmission attenuation correction technique consists in taking into account, when forming a medical image, the proper attenuation of the patient's tissue surrounding the organ under examination. To find out this attenuation, the transmission of gamma radiation to a gamma camera is measured through the patient's body. For this purpose, the patient is placed between a very active external source and the detection head of the gamma-camera. Thus, when measuring the transmitted radiation, a high number of events take place in the scintillator crystal. The high number of events per unit of time also increases the probability of having several substantially simultaneous events.
  • the PET technique consists in injecting the patient with an element such as F 18 capable of emitting positrons. The annihilation of a positron and an electron releases two ⁇ photons emitted in opposite directions and having an energy of 511 keV. This physical phenomenon is exploited in the PET imaging technique.
  • a gamma camera is used with at least two detection heads arranged on either side of the patient. The detection heads used are not equipped with a collimator. Indeed, electronic processing of information, known as coincidence processing, makes it possible to select from among the events those which coincide in time, and thus to calculate the trajectory of the gamma photons.
  • the detection heads are therefore subjected to high fluxes of gamma radiation.
  • Conventional Anger type gamma cameras have a counting rate which is generally too limited for such an application.
  • a gamma-camera type As an indication, a gamma-camera type
  • Anger can operate normally with detection of 1.10 5 events per second, while in PET imaging it takes at least 1.10 6 events per second for normal operation.
  • a conventional device therefore attributes an event to a photodetector and only one, and takes into account all the signals of all the photodetectors for the calculation of the energy.
  • the photomultiplier amplifiers not affected by an event add noise to the LX + , LX " , LY + , LY " collector lines.
  • the subject of the invention is a method and a device in which only the information, or the signals, originating from the Ni photodetectors concerned, from a set of N photodetectors, by an event, is digitized and undergoes processing local to isolate the maximum intensity signal, or maximum amplitude, and a number of signals emitted by the photodetectors near the photodetector having emitted the maximum intensity signal, or maximum amplitude.
  • the subject of the invention is a method for processing signals produced by a set of N photodetectors in response to an event to be detected, comprising:
  • the invention also relates to a method for identifying a characteristic of an event occurring before a set of N photodetectors, comprising:
  • a storage device is associated with each of the N photodetectors. It is in the memory associated with the photodetector having emitted the maximum intensity signal that this maximum intensity and the intensities, or the digital integrals, of the signals coming from the photodetectors near the photodetector whose signal has the maximum integral, are stored.
  • the subject of the invention is also devices making it possible to implement the above methods.
  • the subject of the invention is a device for processing signals produced by a set of N photodetectors, a storage device being associated with each of the N photodetectors, this device comprising: means for comparing, for each photodetector, the intensity of a signal transmitted with a threshold value, - means for comparing, for each photodetector emitting a signal whose intensity exceeds said threshold, the intensity of the signal it emits with the intensity of a signal emitted by each of the neighboring photodetectors,
  • a subject of the invention is also a device for identifying a quantity characteristic of an event occurring before a set of N photodetectors, a storage device being associated with each of the N photodetectors, this device comprising:
  • - means for identifying a subset of Ni photodetectors, having produced a signal in response to the event - means for storing, in the storage device associated with the photodetector emitting the maximum intensity signal, the value of l maximum intensity among all the intensities, as well as the intensities of the signals emitted by the photodetectors close to the photodetector whose signal has the maximum intensity,
  • - Figure 1 is a schematic section of a detection head of a gamma-camera, for example of the Anger type;
  • - Figures 2A and 2B already described, schematically show a device of the prior art, for the collection and coding of signals from photomultipliers of the detection head of Figure 1;
  • - Figures 3A and 3B show two examples of photodetector fields, with different symmetries;
  • - Figures 4, 5A and 5B show a part of a device associated with a photodetector;
  • Figures 6A and 6B show an analog signal supplied by a photodetector (Figure 6A), as well as the corresponding digital signal ( Figure 6B);
  • FIG. 8 schematically represents a reference used for the calculation of the local coordinates of an event with respect to a field of photodetectors
  • FIGS. 9A and 9B show photodetector signals in a case of simple event and in a case of stacking
  • FIG. 10 is a timing diagram for signals transmitted in a device according to the invention.
  • FIG. 11 is another embodiment of one invention.
  • FIG. 12 and 13 show embodiments of functional elements in a device according to one invention;
  • FIG. 14 and 15 show schematically embodiments of components for a device according to the invention.
  • the example will be taken from a set of N photodetectors, or photomultipliers, from a gamma-camera.
  • the number N is then substantially between 50 and 100.
  • Such a set of N photodetectors is preferably a two-dimensional network of photodetectors, for example a two-dimensional network of photomultipliers. Examples of two-dimensional arrays of photodetectors are illustrated in FIGS. 3A and 3B. More precisely, these figures represent, in each case, a position of a network of photodetectors in plan view (or, in other words, if one refers to FIG. 1, seen from the scintillator 22) .
  • the cross section of a photodetector can have various shapes, for example square, hexagonal or circular.
  • FIG. 3A represents, in top view, a mixed field of hexagonal and round photodetectors.
  • the hexagonal photodetectors are arranged in a honeycomb pattern.
  • FIG. 3B corresponds to a field of photodetectors, seen from above, each photodetector having a square section.
  • photodetectors 160 of the first ring in moderately tight hatched lines
  • photodetectors 260 in spaced hatched lines
  • the signals emitted by the other photodetectors are generally negligible.
  • an event occurring opposite the photodetector 61 results in the emission of signals by the photodetector 61, but also by the photodetectors of its first ring 161 (in medium tight hatched lines) and by the photodetectors 261 of its second ring (in lines hatched spaced).
  • an event occurring opposite a photodetector 63 also produces a signal in the neighboring photodetectors 163 (first ring) and in the photodetectors 263 (second ring) around the photodetector 63.
  • Figure 4 is a partial view of a signal processing device of a photodetector. It represents only a single channel of such a device, that is to say the part of the device associated with a single photodetector 60. Similar channels are associated with the other photodetectors, in particular the first and second crown photodetectors which surround the photodetector 60.
  • the photodetector 60 is connected to a current-voltage converter 62. In response to a detected event, a signal is obtained on the output 64 of the converter 62, for example of the type illustrated in the figure 6A.
  • the graph in FIG. 6A indicates, on the ordinate, the amplitude of the signal corresponding to impulse and, on the x-axis, time.
  • the amplitude of the signal and the time are indicated in arbitrary scales.
  • t 0 designates the starting instant of the pulse supplied by the photodetector, and ti the instant when the pulse becomes almost zero again, after having passed a maximum.
  • the duration corresponding to the interval ti - t 0 is of the order of a microsecond, in the case of a photomultiplier of a gamma-camera coupled to a Nal crystal ( ⁇ l).
  • the analog signal present on the output terminal 64 is directed to an analog-digital converter 66.
  • the latter samples each pulse of the signal in a number of samples n, as illustrated in FIG. 6B. Two consecutive samples are separated by a step, or clock interval p (the clock operating at 1 / p Hz).
  • the analog-digital converter 66 is preferably a fast converter, of the “flash” type which can operate at a frequency of the order of 10 to 20 megahertz.
  • the digital signal from the analog-digital converter 66 directed to a digital integrator 68 (composed of a shift register with N flip-flops and a summator).
  • This integrator performs a sliding sum of the samples transmitted to it by the analog-digital converter 66.
  • the sliding sum is performed on a given number of samples. This predetermined number is, for example, 10.
  • the signal representative of the value of the coded signal (at the output of 66) is sent to means 70 capable of detecting the presence of an event.
  • FIG. 5A represents an embodiment of the detection of events by detecting the passage of the signal coded by a maximum and by validating it when this signal is above a predetermined threshold.
  • the output of the digital analog encoder 66 is connected to one of the inputs of a comparator 702.
  • a predetermined digital value VP To the second input 701 is applied a predetermined digital value VP.
  • This comparator outputs a signal 703 equal to 0 if the coded value is less than VP and 1 if the coded value is greater than VP.
  • Signal 703 is connected to one of the inputs of an ET 704.
  • the coded output is also connected to one of the inputs 705 of a second comparator 708 and to the input of the register 706 which delays the coded value by a clock step.
  • the output 707 of this register is connected to the second input 707 of the comparator 708.
  • This comparator emits a pulse 709 equal to 1 when it sees for the first time the input 707 (which represents the value coded at the instant t- 1) greater than input 705 (which represents the value coded at time t).
  • the output 709 is equal to 0 in the other cases.
  • This output 709 is connected to the second input of the AND circuit, 704.
  • the output signal 710 of the AND represents the instant of passage of the coded signal by a maximum when the coded signal is greater than VP.
  • Signal 710 is connected to the input of an offset circuit 712 which delays it by a certain number of steps clock. This number is adjusted so that the pulse at its output is synchronous from the instant when the output value of the sliding adder 68 is equal to the integral of the detected signal.
  • FIG. 5B represents an embodiment of the sliding summator 68 which performs the integration of the event.
  • the coded signal at the output of the analog-digital converter is directed to a shift register 682 whose number of stages represents the duration of integration.
  • the output of the shift register 682 is connected to the subtracting input of a subtractor 684 while the positive input is connected to the coded signal.
  • the output of the subtractor is sent to an accumulator 686.
  • the output of the accumulator 686 represents the integral of the event when the circuit 712 delivers its pulse.
  • the set of means, associated with a photodetector, and described above in conjunction with FIG. 4 is designated by the reference 88.
  • Each set of means is associated with each photodetector.
  • Each photodetector compares the value of its digital integral with that of the neighboring photodetectors.
  • a device for carrying out this comparison is shown in FIG. 7.
  • the neighboring photodetectors called first ring photodetectors, are represented schematically by the references 160-1, ..., 160-6.
  • Each of these photodetectors is associated with a set of means equivalent to the means 88 associated with the photodetector 60.
  • the digital integral corresponding to the signal delivered by the photodetector 60 is compared with the digital integral of the signal delivered by each of the photodetectors 160-1, ..., 160-6, and this using comparison means, or comparators 90-1, ..., 90-6.
  • the comparators work continuously (at each coding step) and provide a comparison result which takes the value 1 when the value of the current integral of the photodetector 60 is greater than the current integral of the neighboring photodetector to which it is compared, and the value 0 otherwise.
  • the 6 comparison results are sent to a device 92 (FIG. 7) composed of an AND circuit with 6 inputs, which delivers a signal equal to 1 when all the comparison results are equal to 1, that is to say when the value of the current integral of the photodetector 60 is greater than that of all of its neighbors.
  • the output of the AND circuit is a first condition which makes it possible to validate, or not, the signal EVT (or DMDS storage request) supplied by the circuit 712 (FIG.
  • the digital integral corresponding to the signal delivered by the photodetector 60 (that is to say the maximum intensity signal) and the digital integrals corresponding to the signals delivered by the photodetectors 160-1, •• -, 160-6 (that is to say the signals from the photodetectors of the first ring) are stored in the storage device 94 associated with the photodetector 60.
  • each photodetector of the entire field of N photodetectors is associated with a device of the type which is illustrated above in FIG. 7, including a storage device 94 and, optionally, a calculation device.
  • the methods and devices described above are those of a "cellular architecture", which allows photodetectors to compare the light fluxes they receive with each other, and to determine which of them are affected by the interaction.
  • the storage of the maximum intensity and the intensities of the neighbors of the first ring can therefore be carried out in the storage device associated with the central photodetector, that is to say with the photodetector which delivers the maximum intensity signal.
  • Such a method makes it possible to improve the performance of the counting rate of the photodetectors, thanks to the local processing of digitized information.
  • the calculations of the characteristics are carried out at the local level, that is to say, in the case of FIG. 7, inside the device 94 associated with the photodetector 60
  • the results of the calculations are then directed, by a bus common to all the photodetectors to external collection and operating means, for example a microprocessor of a microcomputer. This is the process which has been described above.
  • the calculations are carried out outside all the architectures cell photodetectors.
  • all the values stored in the storage means 94 are transferred to an external calculation unit, not shown in the figures.
  • counting rate i.e. numbers of events processed per second
  • the first possibility is advantageous, since only the characteristic quantities associated with the event are to be transferred outwards, at location of all the digital integrals of the photodetectors concerned.
  • the second possibility offers the advantage of not being fixed in the quantities to be calculated, and of being able to modify, for a given quantity, the calculation method.
  • This second possibility which can be achieved with a programmable system (DSP, microprocessors, dedicated operators, etc.) is more flexible, especially since it is then possible to regain the counting rate by multiplying the transfer means and Calculation.
  • Saturating events are very high energy events, for example cosmic rays, which can pass through the detector by producing at the output a saturating pulse whose duration can be very long compared to that of the useful signals.
  • the detected event is invalidated as soon as a sample of the corresponding digitized signal reaches a certain dynamic level, by example the maximum level (255 if coding on 8 bit).
  • a stack corresponds to the coincidence of two simultaneous or quasi-simultaneous events (separated, in the case of a gamma-camera, for example by less than 1 ⁇ s) and close to each other, i.e. - say spaced at most by two rings of photodetectors.
  • FIG. 9B gives the appearance of the signal resulting from a stack: the waveforms add up.
  • a validity signal takes the value "0".
  • the means 92 send a "wevt" signal to the local storage system 94 and to the storage systems of the first ring photodetectors indicating that the event must be retained, that is to say that the values of the integrals must be stored and possibly calculate the characteristic quantities of the event.
  • a signal is sent synchronously to a clock.
  • ⁇ Ei i l X x and Yj . locate the coordinates of the photodetectors of the first and second rings in a reference of the type of that of FIG. 8: Xj . ef-2, -1, 0.1, 2 ⁇ ;
  • FIG. 11 represents another embodiment of an electronic device 170 associated with a photodetector 60. Such a device is also associated with each of the other photodetectors. A single clock is applied to all the photodetectors and defines the coding step p.
  • Such a device firstly comprises a first functional unit 188 which performs the following functions, already described above: current-voltage conversion, digitalization of the signal from the photodetector, integration, detection of the passage of the signal by a maximum.
  • a DMDS signal (equivalent to the EVT signal of the previous embodiment) of storage request is generated at each detection of a maximum and synchronized with the integral of the concerned signal available.
  • this functional unit can perform the likelihood-of-pulse test functions by analyzing the amplitude or the duration above a threshold, as explained above.
  • the device 170 transmits to the corresponding devices neighboring photodetectors 160-1, ..., 160-6 the following data: 1 - the value of the current integral DATA 0 ,
  • a validity signal (signal VAL 0 ) issued when the following two conditions are met: the device 170 is capable of receiving a storage order (storage register 194 available),
  • a DMDS signal is emitted towards a storage decision generation device 192 (equivalent to the device 92 already described above).
  • the storage request is validated (DSo signal). It is then effective in the requesting photodetector and transmitted to its neighbors in the first ring by the intermediary of the signal "storage decision" DS 0 .
  • the storage register 194 of the requesting photodetector 60 has the value of its own digital integral and the value of the integral of the neighboring first ring photodetectors
  • the registers of neighboring first ring photodetectors each have two integral values of second ring photodetectors.
  • the role of the DSi inputs on the device 194 can be specified in the following manner: on the requesting photodetector there can be no DSi active at the time when the photodetector requestor sends a storage decision because the integrals of the first ring photodetectors are smaller than those of the central photodetector, - on the first ring photodetectors, DSi is used to store the value of two second ring integrals.
  • the storage register of the requesting photodetector 60 will have stored seven values; each of its six photodetectors on the first ring stores two values, making a total of nineteen values.
  • the requesting photodetector will have stored nine values, and each of its eight neighbors two values, ie a total of twenty-five values.
  • Means 196 of the sequencer type make it possible to manage the transfer and the calculation and to give the means 198, for generating a busy signal, an end of storage use signal.
  • the multiplexing means 171 are controlled by the function 196 "transfer management" and provide the following function.
  • the first ring photodetectors memorized the value of two photodetectors of second crown.
  • the DATA output bus of each first ring photodetector will be used to reduce the number of links between photodetectors and replace the value of the current integral successively with the two values to be transmitted.
  • the requesting photodetector will thus receive on inputs DATA a to DATA f the values of the photodetectors of the second ring. He stores them next to the ones he already had.
  • the means 192 for generating storage decisions can be implemented as described in FIG. 12.
  • the means 198 for generating an "occupation" signal can have the form illustrated in FIG. 13, where the reference 193 designates a D-type flip-flop with preset.
  • the occupation output is put in the logical state (TRUE) by one of the seven storage decision inputs. This state is maintained until the acquired values have been used.
  • the transfer management system then provides a reset pulse.
  • the digital ASIC of each photodetector may include or provide the following functions: integration, maximum detection, inputs from neighboring photodetectors, output to neighboring photodetectors, comparators, registers of storage, sequencing, device for calculating or a characteristic quantity (s) of an event, reading device.
  • the digital ASIC can also include the following functions:
  • the MHS library gives the number of logic gates equivalent to each of these basic cells. So :
  • a single clock D flip-flop includes 5 doors
  • a 1 bit adder includes 9 gate
  • a 2 to 1 multiplexer includes 3 doors.
  • a multiplier To multiply a number of n bits by a number of m bits, with n> m, a multiplier includes n * (ml) FA cells.
  • n * (ml) FA cells For example, a 13x13 bit parallel multiplier from the ES2 library has a calculation time of 36.8 ns for an occupied surface of 0.78 mm 2 , which is more than enough for the performances envisaged here.
  • the diagram in FIG. 14 gives a schematic overview of the way in which the integration and control entities are arranged (the means 188 of FIG. 12).
  • the sliding summing element is detailed in FIG. 14, the part ensuring the multiplexing of the output is detailed in FIG. 15.
  • the summator comprises a shift register with N flip-flops Di, ..., D N and a summator.
  • the subtractor 220 makes it possible to calculate the difference between the input and the output of the shift register.
  • the adder 221 accumulates these deviations in the register 223.
  • a base line detection circuit 222 composed of a comparator and a shift register controls a storage register 225 of the base line. This is then subtracted by the subtractor 226 from the current value of the sliding sum.
  • the means 224 which ensure the detection of events and the concept of validity are essentially composed of a maximum detection, carried out using a comparator, followed by a shift register necessary to synchronize the event signal with the output of the corresponding integral.
  • the multiplexing part of the output can be shown diagrammatically as illustrated in FIG. 15.
  • It has 2 registers of 12 bits, (24 DFF), 1 multiplexer with 6 inputs of 12 bits, and 1 multiplexer with 8 inputs of 12 bits.
  • the integration and multiplexing entity includes:
  • the control entity (92, 192 in FIGS. 7 and 12) comprises, in particular:
  • the comparison entity (190-1, ..., 190-6 in FIG. 11) comprises:
  • the calculation structure therefore includes:
  • the "transfer” entity 196 (FIG. 11) requires three registers to store X, Y and E, that is to say two registers of 9 bits and 1 of 14 bits, which is equivalent to 32 DFF, that is to say 160 gates. If we add the sequencing logic, we can evaluate the entity at 200 doors.
  • the ASIC is thus evaluated at 11,000 doors.
  • the number of doors per mm 2 is around 1400 doors / mm 2 .
  • a 140-legged housing can be used.
  • the invention described applies to a gamma camera as described in the introduction to the request, in conjunction with FIG. 1. It advantageously applies to the implementation of the techniques of "correction of attenuation by transmission "and" PET (Position Emission Tomography) coincidentally, already described in the introduction to the present application.
  • the invention has been described using the digital integral as a signal representative of the intensity of each signal coming from each photodetector.
  • the digital integral is the quantity which is best suited to the implementation of the invention.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement de signaux produits par un ensemble de N photodétecteurs, en réponse à un événement à détecter, dans lequel une architecture cellulaire (88, 90-1, ..., 90-6, 92, 94), associée à chaque photodétecteur (60), permet de comparer le flux qu'il reçoit avec les flux des photodétecteurs voisins (160-1, ..., 160-6), et de déterminer quel est l'ensemble de photodétecteurs à considérer pur une interaction donnée. Des grandeurs caractéristiques de l'interaction peuvent ensuite être calculées.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE TRAITEMENT DES SIGNAUX D'UN
ENSEMBLE DE PHOTODETECTEURS AYANT UNE ARCHITECTURE
CELLULAIRE, ET APPLICATION AUX GAMMA-CAMERAS
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention concerne le traitement des données ou des signaux issus de, ou émis par, un ensemble de N photodétecteurs, en réponse à un événement à caractériser ou à identifier, par exemple à localiser .
L'invention s'applique en particulier à la détermination des caractéristiques, par exemple d'énergie et de position, d'un événement à partir de signaux fournis par des photomultiplicateurs équipant une gamma-caméra ; par exemple, la position d'un événement est repérée par rapport aux photomultiplicateurs eux-mêmes. On entend par gamma- caméra une caméra sensible au rayonnement gamma ( γ ) . De telles caméras sont utilisées notamment à des fins d'imagerie médicale.
Etat de la technique antérieure
A l'heure actuelle, la plupart des gamma- caméras utilisées en médecine nucléaire sont des caméras fonctionnant selon le principe des caméras de type Anger. On peut se reporter à ce sujet au document
US-3 011 057.
Les gamma-caméras permettent en particulier de visualiser la répartition, dans un organe, de molécules marquées par un isotope radioactif préalablement injecté au patient. La structure et le fonctionnement d'une gamma- caméra connue sont exposés et résumés ci-après en référence aux figures 1, 2A et 2B annexées.
La figure 1 montre une tête de détection 10 d'une gamma-caméra disposée en face d'un organe 12 contenant des molécules marquées par un isotope radio¬ actif .
La tête de détection 10 comporte un collimateur
20, un cristal scintillateur 22, un guide de lumière 24 et une pluralité de tubes photomultiplicateurs 26 juxtaposés de façon à couvrir une face du guide de lumière 24. Le scintillateur est, par exemple, un cristal de Nal (T-f? ) .
Le collimateur 20 a pour fonction de sélectionner parmi tous les rayonnements gamma 30 émis par l'organe 12 ceux qui atteignent la tête de détection sensiblement sous incidence normale. Le caractère sélectif du collimateur permet d'augmenter la résolution et la netteté de l'image produite. Cependant, l'augmentation de la résolution se fait au détriment de la sensibilité. A titre d'exemple, pour environ 10000 photons γ émis par l'organe 12, un seul photon est effectivement détecté.
Les photons γ ayant traversé le collimateur atteignent le cristal scintillateur 22 où quasiment chaque photon γ est converti en une pluralité de photons lumineux. Dans la suite du texte on désigne par événement chaque interaction d'un photon gamma avec le cristal, provoquant une scintillation. Les photomultiplicateurs 26 sont conçus pour émettre une impulsion électrique proportionnelle au nombre de photons lumineux reçus du scintillateur pour chaque événement . Pour qu'un événement de scintillation puisse être localisé plus précisément, les photomultiplicateurs 26 ne sont pas directement accolés au cristal scintillateur 22 mais sont séparés de ce dernier par le guide de lumière 24.
Les photomultiplicateurs émettent un signal dont l'amplitude est proportionnelle à la quantité totale de lumière produite dans le scintillateur par un rayonnement gamma, c'est-à-dire proportionnelle à son énergie. Toutefois, le signal individuel de chaque photomultiplicateur dépend aussi de la distance qui le sépare du point d'interaction 30 du rayonnement gamma avec la matière du scintillateur. En effet, chaque photomultiplicateur délivre une impulsion de courant proportionnelle au flux lumineux qu'il a reçu. Dans l'exemple de la figure 1, des petits graphiques A, B, C montrent que des photomultiplicateurs 26a, 26b et 26c situés à différentes distances d'un point d'interaction 30 délivrent des signaux avec des amplitudes différentes.
La position du point d'interaction 30 d'un photon gamma est calculée dans la gamma-caméra à partir des signaux provenant de l'ensemble des photomultiplicateurs en effectuant une pondération barycentrique des contributions de chaque photomultiplicateur .
Le principe de la pondération barycentrique tel qu'il est mis en oeuvre dans les caméras de type Anger apparaît plus clairement en se reportant aux figures 2A et 2B annexées.
La figure 2A montre le câblage électrique d'une tête de détection 10 d'une gamma-caméra, qui relie cette caméra à une unité de formation d'une image. La tête de détection comporte une pluralité de photomultiplicateurs 26.
Comme le montre la figure 2B, chaque photomultiplicateur 26 de la tête de détection est associé à quatre résistances notées RX~, RX+, RY" et RY+. Les valeurs de ces résistances sont propres à chaque photomultiplicateur et dépendent de la position du photomultiplicateur dans la tête de détection 10.
Les résistances RX~, RX+, RY" et RY+ de chaque photomultiplicateur sont reliées à la sortie 50 dudit photomultiplicateur, représentée sur la figure 2B avec un symbole de générateur de courant. Elles sont d'autre part respectivement reliées à des lignes collectrices communes notées LX~, LX+, LY", LY+, sur la figure 2A. Les lignes LX~, LX+, LY" et LY+ sont à leur tour reliées respectivement à des intégrateurs analogiques 52X", 52X+, 52Y", 52Y+, et, par l'intermédiaire de ceux- ci à des convertisseurs analogiques/numériques 54X", 54X+, 54Y", 54Y+. La sortie des convertisseurs 54X", 54X+, 54Y", 54Y+ est dirigée vers un opérateur numérique 56. Les lignes LX", LX+, LY", LY+ sont par ailleurs reliées à une voie commune, dite voie énergie. Cette voie comporte également un intégrateur 57 et un convertisseur analogique/numérique 58 et sa sortie est aussi dirigée vers l'opérateur 56.
Grâce au dispositif de la figure 2, on calcule la position de l'interaction selon les équations suivantes (US-4 672 462) : _ x+-χ- x++χ-
et
v _ Y+-Y- Y++Y-
dans lesquelles X et Y indiquent les coordonnées selon deux directions orthogonales de la position de l'interaction sur le cristal et dans lesquelles X+, X", Y+, Y" indiquent respectivement les signaux pondérés délivrés par les intégrateurs 52X+, 52X", 52Y+, 52Y".
Les valeurs de X et Y de même que 1 ' énergie totale E du rayon gamma ayant interagi avec le cristal sont établies par l'opérateur numérique 56. Ces valeurs sont utilisées ensuite pour la construction d'une image comme décrit, par exemple, dans le document FR-2 669 439.
Le calcul de la position de l'interaction est entaché d'une incertitude liée aux fluctuations statistiques de Poisson du nombre de photons lumineux et du nombre de photoélectrons produits pour chaque événement, c'est-à-dire pour chaque photon gamma détecté. L'écart type de la fluctuation est d'autant plus faible que le nombre de photons ou de photoélectrons est élevé. En raison de ce phénomène, il convient de collecter la lumière le plus soigneusement possible. La résolution spatiale intrinsèque de la caméra est caractérisée par la largeur à mi-hauteur de la distribution des positions calculées pour une même source ponctuelle collimatée posée sur le cristal scintillateur. Pour des rayons gamma d'une énergie de 140 keV, la résolution est généralement de l'ordre de 3 à 4 mm.
L'énergie d'un photon gamma détecté est calculée en faisant la somme des contributions de tous les photomultiplicateurs ayant reçu de la lumière. Elle est aussi entachée d'une fluctuation statistique. La résolution en énergie de la caméra est caractérisée par le rapport de la largeur à mi-hauteur de la distribution des énergies calculées à la valeur moyenne de la distribution, pour une même source.
La résolution en énergie est généralement de l'ordre de 9 à 11% pour des rayons gamma d'une énergie de 140 keV.
Finalement, une gamma-caméra de type Anger présente l'avantage de permettre de calculer en temps réel le barycentre des signaux des photomultiplicateurs avec des moyens très simples.
En effet, le système décrit précédemment comporte un nombre limité de composants. De plus, les résistances utilisées pour injecter le signal des photomultiplicateurs dans les lignes collectrices sont très peu coûteuses.
Une telle caméra présente cependant aussi un désavantage majeur qui est un taux de comptage réduit. On entend par taux de comptage le nombre d'événements, c'est-à-dire d'interactions entre un photon γ et le scintillateur, que la caméra est capable de traiter par unité de temps.
Une des limitations du taux de comptage provient notamment du fait que la caméra est incapable de traiter deux événements ayant lieu sensiblement simultanément en des points distincts du cristal scintillateur. En effet, des événements simultanés mais géométriquement distincts donnent naissance à des signaux électriques qui s'empilent dans les lignes collectrices LX", LX+, LY" et LY+ et qui ne peuvent plus être distingués. Ces événements sont aussi "perdus" pour la formation d'une image.
Les gamma-caméras sont utilisées non seulement dans des techniques d'imagerie traditionnelles, mais également dans deux autres techniques d'imagerie médicale où la limitation du taux de comptage est aussi une contrainte rédhibitoire .
Ces techniques sont les techniques dites de "correction d'atténuation par transmission" et de "PET (Positon Emission Tomography) en coïncidence". La technique de correction d'atténuation par transmission consiste à tenir compte, lors de la formation d'une image médicale, de l'atténuation propre du tissu du patient entourant l'organe examiné. Pour connaître cette atténuation, on mesure la transmission des rayonnements gamma vers une gamma-caméra à travers le corps du patient. A cet effet on fait prendre place au patient entre une source externe très active et la tête de détection de la gamma-caméra. Ainsi, lors de la mesure du rayonnement transmis, un nombre élevé d'événements ont lieu dans le cristal scintillateur. Le nombre élevé d'événements par unité de temps accroît aussi la probabilité d'avoir plusieurs événements sensiblement simultanés. Une caméra de type Anger classique se révèle alors inappropriée. La technique de PET consiste à injecter au patient un élément tel que F18 apte à émettre des positons. L'annihilation d'un positon et d'un électron libère deux photons γ émis dans des directions opposées et ayant une énergie de 511 keV. Ce phénomène physique est mis à profit dans la technique d'imagerie PET. Dans cette technique on utilise une gamma-caméra avec au moins deux têtes de détection disposées de part et d'autre du patient. Les têtes de détection utilisées ne sont pas équipées de collimateur. En effet, un traitement électronique des informations, dit traitement de coïncidence, permet de sélectionner parmi les événements ceux qui coïncident temporellement, et de calculer ainsi la trajectoire des photons gamma.
Les têtes de détection sont donc soumises à des flux élevés de rayonnement gamma. Les gamma-caméras classiques de type Anger ont un taux de comptage généralement trop limité pour une telle application. A titre indicatif, une gamma-caméra de type
Anger peut fonctionner normalement avec une détection de 1.105 événements par seconde, tandis qu'en imagerie PET il faut au moins 1.106 événements par seconde pour un fonctionnement normal. Une autre limitation des gamma-caméras du type
Anger, décrites ci-dessus, tient au fait que le calcul du barycentre d'un événement est fixé définitivement par la construction de la tête de détection et notamment par le choix des résistances RX", RX+, RY", RY+ pour chaque photomultiplicateur. De même, le calcul de l'énergie est fixé par le câblage des photomultiplicateurs sur une voie commune (voie énergie) .
Un dispositif classique attribue donc un événement à un photodétecteur et un seul, et prend en compte tous les signaux de tous les photodétecteurs pour le calcul de l'énergie. Or, les amplificateurs des photomultiplicateurs non concernés par un événement ajoutent du bruit sur les lignes collectrices LX+, LX", LY+, LY".
Exposé de l'invention L'invention a pour objet un procédé et un dispositif dans lesquels seule l'information, ou les signaux, issue des Ni photodétecteurs concernés, parmi un ensemble de N photodétecteurs, par un événement, est numérisée et subit un traitement local permettant d'en isoler le signal d'intensité maximum, ou d'amplitude maximale, et un certain nombre de signaux émis par les photodétecteurs voisins du photodétecteur ayant émis le signal d'intensité maximum, ou d'amplitude maximale.
Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de traitement de signaux produits par un ensemble de N photodétecteurs en réponse à un événement à détecter, comportant :
- la comparaison, avec une valeur seuil, pour chaque photodétecteur, de l'intensité ou d'une intégrale numérique du signal numérisé obtenu à partir du signal émis,
- la comparaison, pour chaque photodétecteur émettant un signal dont l'intensité ou l'intégrale numérique dépasse ledit seuil, de l'intensité ou de l'intégrale du signal qu'il émet avec l'intensité ou l'intégrale du signal émis avec chacun des photodétecteurs voisins,
- la mémorisation de la valeur de l'intensité ou de l'intégrale maximum parmi toutes les intensités ou les intégrales comparées, ainsi que des intensités ou des intégrales des signaux émis par les photodétecteurs voisins du photodétecteur dont le signal présente l'intensité ou l'intégrale maximum. Il est ensuite possible de produire, à l'aide des intensités mémorisées, au moins un signal représentatif d'une grandeur caractéristique d'un événement produit devant les photodétecteurs. Ainsi, seuls les signaux des photodétecteurs concernés par l'interaction sont mémorisés ou contribuent au calcul, ou à la production d'un signal représentatif, d'une grandeur caractéristique de l'événement. Il n'est pas nécessaire de mémoriser ou de tenir compte des signaux produits par tous les photodétecteurs, car le temps de lecture entraînerait une forte dégradation de la performance de taux de comptage. Chaque événement ne concernant en principe qu'un petit nombre de photodétecteurs, le procédé permet de ne retenir que ces photodétecteurs qui sont concernés par l'événement. De plus, deux événements se produisant simultanément, ou quasi-simultanément, en deux endroits différents, par rapport à l'ensemble de N photodétecteurs pourront alors être pris en compte. L'invention a également pour objet un procédé pour identifier une caractéristique d'un événement se produisant devant un ensemble de N photodétecteurs, comportant :
- l'identification d'un sous-ensemble de Ni photodétecteurs, concernés par l'interaction, c'est- à-dire ayant produit un signal en réponse à 1 ' événement,
- la production d'un signal représentatif de la caractéristique de l'événement, en fonction : * du signal d'intensité maximum ou d'intégrale numérique maximum parmi les Nx signaux produits par les i photodétecteurs, en réponse à 1 ' événement, * et des signaux émis par les photodétecteurs voisins du photodétecteur dont le signal présente l'intensité maximum ou l'intégrale numérique maximum parmi les Ni photodétecteurs. Ce second procédé permet de générer des signaux représentatifs d'une caractéristique d'un événement se produisant devant l'ensemble de N photodétecteurs, uniquement en fonction des signaux émis par les photodétecteurs concernés par ledit événement. Là encore, on évite une lecture inutile de l'ensemble du champ de N photodétecteurs et des mémoires correspondantes, lecture qui consommerait beaucoup de temps et qui réduirait le taux de comptage.
Dans les deux cas, un dispositif de mémorisation est associé à chacun des N photodétecteurs. C'est dans la mémoire associée au photodétecteur ayant émis le signal d'intensité maximum que cette intensité maximum et les intensités, ou les intégrales numériques, des signaux provenant des photodétecteurs voisins du photodétecteur dont le signal présente l'intégrale maximum, sont mémorisées.
L'invention a également pour objet des dispositifs permettant de mettre en oeuvre les procédés ci-dessus . En particulier, l'invention a pour objet un dispositif pour le traitement de signaux produits par un ensemble de N photodétecteurs, un dispositif de mémorisation étant associé à chacun des N photodétecteurs, ce dispositif comportant : - des moyens pour comparer, pour chaque photodétecteur, l'intensité d'un signal émis avec une valeur seuil, - des moyens pour comparer, pour chaque photodétecteur émettant un signal dont l'intensité dépasse ledit seuil, l'intensité du signal qu'il émet avec l'intensité d'un signal émis par chacun des photodétecteurs voisins,
- des moyens pour mémoriser, dans le dispositif de mémorisation associé au photodétecteur émettant le signal d'intensité maximum, la valeur de l'intensité maximum parmi toutes les intensités, ainsi que les intensités des signaux émis par les photodétecteurs voisins du photodétecteur dont le signal présente l'intensité maximum.
L'invention a également pour objet un dispositif pour identifier une grandeur caractéristique d'un événement se produisant devant un ensemble de N photodétecteurs, un dispositif de mémorisation étant associé à chacun des N photodétecteurs, ce dispositif comportant :
- des moyens pour identifier un sous-ensemble de Ni photodétecteurs, ayant produit un signal en réponse à 1 ' événement, - des moyens pour mémoriser, dans le dispositif de mémorisation associé au photodétecteur émettant le signal d'intensité maximum, la valeur de l'intensité maximum parmi toutes les intensités, ainsi que les intensités des signaux émis par les photodétecteurs voisins du photodétecteur dont le signal présente 1 ' intensité maximum,
- des moyens pour produire un signal représentatif de la grandeur caractéristique de l'événement, en fonction des intensités : * du signal d'intensité maximum parmi les Ni signaux, produits par les Nx photodétecteurs en réponse à l'événement, * des signaux émis par les photodétecteurs voisins, dits de première couronne, du photodétecteur dont le signal présente 1 ' intensité parmi les Ni photodétecteurs . L'invention a été décrite en utilisant l'intégrale numérique comme signal représentatif de l'intensité de chaque signal provenant de chaque photodétecteur.
En fait, on peut aussi utiliser, à la place de l'intégrale numérique, l'intensité au maximum du signal numérique ou du signal analogique. Cependant,
1 ' intégrale numérique est 1 ' information qui convient le mieux à la mise en oeuvre de l'invention.
Brève description des figures
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1, déjà décrite, est une coupe schématique d'une tête de détection d'une gamma-caméra, par exemple de type Anger ; - les figures 2A et 2B, déjà décrites, montrent de façon schématique, un dispositif de l'art antérieur, pour la collection et le codage de signaux provenant de photomultiplicateurs de la tête de détection de la figure 1 ; - les figures 3A et 3B représentent deux exemples de champs de photodétecteurs, avec des symétries différentes ; - les figures 4, 5A et 5B représentent une partie d'un dispositif associé à un photodétecteur ;
- les figures 6A et 6B représentent un signal analogique fourni par un photodétecteur (figure 6A) , ainsi que le signal numérique correspondant (figure 6B) ;
- la figure 7 représente un mode de réalisation de 1 ' invention ;
- la figure 8 représente schématiquement un repère utilisé pour le calcul des coordonnées locales d ' un événement par rapport à un champ de photodétecteurs ;
- les figures 9A et 9B représentent des signaux de photodétecteurs dans un cas d'événement simple et dans un cas d'empilement ;
- la figure 10 est un chronogramme pour des signaux émis dans un dispositif selon l'invention,
- la figure 11 est un autre mode de réalisation de 1 ' invention ; - les figures 12 et 13 représentent des réalisations d'éléments fonctionnels dans un dispositif selon 1 ' invention ;
- les figures 14 et 15 schématisent des réalisations de composants pour un dispositif selon l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation de 1' invention
L'exemple sera pris d'un ensemble de N photodétecteurs, ou de photomultiplicateurs, d'une gamma-caméra. Le nombre N est alors sensiblement compris entre 50 et 100. Un tel ensemble de N photodétecteurs est de préférence un réseau bi-dimensionnel de photodétecteurs, par exemple un réseau bi-dimensionnel de photomultiplicateurs. Des exemples de réseaux bi-dimensionnels de photodétecteurs sont illustrés sur les figures 3A et 3B. Plus précisément, ces figures représentent, dans chaque cas, une position d'un réseau de photodétecteurs en vue de dessus (ou, en d'autres termes, si l'on se reporte à la figure 1, vue à partir du scintillateur 22). La section transversale d'un photodétecteur peut avoir diverses formes, par exemple carrée, hexagonale ou circulaire.
La figure 3A représente, en vue de dessus, un champ mixte de photodétecteurs hexagonaux et ronds. Les photodétecteurs à section hexagonale sont disposés en nid d'abeilles.
La figure 3B correspond à un champ de photodétecteurs, en vue de dessus, chaque photodétecteur ayant une section carrée.
Lorsqu'un événement se produit face au champ de photodétecteurs, cet événement émettant un rayonnement dans une gamme spectrale correspondant à celle des photodétecteurs, un certain nombre de photodétecteurs vont émettre des signaux. Sur la figure 3A, on a représenté les ensembles de photodétecteurs concernés, c'est-à-dire émettant des signaux, pour deux événements se produisant à des endroits différentes par rapport au champ de photodétecteurs. Un premier événement se produit face au photodétecteur 60 et celui-ci produit un signal. En réponse à cet événement, les photodétecteurs voisins du photodétecteur 60 produisent également un signal : il s'agit, sur la figure 3A, des photodétecteurs 160 de première couronne (en traits hachurés moyennement serrés), immédiatement voisins du photodétecteur 60, et des photodétecteurs 260 (en traits hachurés espacés) , dits de deuxième couronne autour du photodétecteur 60. Au-delà, les signaux émis par les autres photodétecteurs sont en général négligeables. De même, un événement se produisant face au photodétecteur 61 entraîne une émission de signaux par le photodétecteur 61, mais aussi par les photodétecteurs de sa première couronne 161 (en traits hachurés moyennement serrés) et par les photodétecteurs 261 de sa deuxième couronne (en traits hachurés espacés) .
Sur la figure 3B, un événement se produisant face à un photodétecteur 63 produit également un signal dans les photodétecteurs voisins 163 (de première couronne) et dans les photodétecteurs 263 (de deuxième couronne) autour du photodétecteur 63.
La figure 4 est une vue partielle d'un dispositif de traitement du signal d'un photodétecteur. Elle ne représente qu'un seul canal d'un tel dispositif, c'est-à-dire la partie du dispositif associée à un unique photodétecteur 60. Des canaux similaires sont associés aux autres photodétecteurs, en particulier aux photodétecteurs de première et deuxième couronnes qui entourent le photodétecteur 60. Le photodétecteur 60 est relié à un convertisseur courant- tension 62. En réponse à un événement détecté, on obtient sur la sortie 64 du convertisseur 62 un signal, par exemple du type de celui qui est illustré sur la figure 6A.
Le graphique de la figure 6A indique, en ordonnées, l'amplitude du signal correspondant à l'impulsion et, en abscisses, le temps. L'amplitude du signal et le temps sont indiqués en échelles arbitraires. t0 désigne l'instant de départ de l'impulsion fournie par le photodétecteur, et ti l'instant où l'impulsion redevient quasiment nulle, après être passée par un maximum. A titre indicatif, la durée correspondant à l'intervalle ti - t0 est de l'ordre d'une microseconde, dans le cas d'un photomultiplicateur d'une gamma-caméra couplé à un cristal de Nal (Υl) .
Le signal analogique présent sur la borne de sortie 64 est dirigé vers un convertisseur analogique-numérique 66. Ce dernier échantillonne chaque impulsion du signal en un certain nombre d'échantillons n, comme illustré sur la figure 6B. Deux échantillons consécutifs sont séparés par un pas, ou intervalle d'horloge p (l'horloge fonctionnant à 1/p Hz) .
A titre d'exemple, le convertisseur échantillonne chaque impulsion du signal en n = 10 échantillons. Pour un signal de 1 microseconde, un échantillonnage est alors effectué toutes les 100 nanosecondes .
Le convertisseur analogique-numérique 66 est, de préférence, un convertisseur rapide, de type « flash » pouvant fonctionner à une fréquence de l'ordre de 10 à 20 mégahertz.
Le signal numérique issu du convertisseur analogique-numérique 66 dirigé vers un intégrateur numérique 68 (composé d'un registre à décalage à N bascules et d'un sommateur) . Cet intégrateur effectue une somme glissante des échantillons qui lui sont transmis par le convertisseur analogique-numérique 66. La somme glissante est effectuée sur un nombre donné d'échantillons. Ce nombre prédéterminé est égal, par exemple, à 10.
Le signal représentatif de la valeur du signal codé (en sortie de 66) est dirigé vers des moyens 70 aptes à détecter la présence d'un événement.
La figure 5A représente une réalisation de la détection des événements en détectant le passage du signal codé par un maximum et en le validant lorsque ce signal est au-dessus d'un seuil prédéterminé. La sortie du codeur analogique numérique 66 est connectée à une des entrées d'un comparateur 702. A la seconde entrée 701 est appliquée une valeur numérique prédéterminée VP. Ce comparateur émet en sortie un signal 703 égal à 0 si la valeur codée est inférieure à VP et 1 si la valeur codée est supérieure à VP. Le signal 703 est connecté à une des entrées d'un ET 704.
La sortie codée est aussi connectée à une des entrées 705 d'un deuxième comparateur 708 et à l'entrée du registre 706 qui retarde la valeur codée d'un pas d'horloge. La sortie 707 de ce registre est connectée à la deuxième entrée 707 du comparateur 708. Ce comparateur émet une impulsion 709 égale à 1 lorsqu'il voit pour la première fois l'entrée 707 (qui représente la valeur codée à l'instant t-1) supérieure à l'entrée 705 (qui représente la valeur codée à l'instant t). La sortie 709 est égale à 0 dans les autres cas. Cette sortie 709 est connectée à la deuxième entrée du circuit ET, 704. Le signal 710 de sortie du ET représente l'instant de passage du signal codé par un maximum quand le signal codé est supérieur à VP . Le signal 710 est connecté à l'entrée d'un circuit de décalage 712 qui le retarde d'un certain nombre de pas d'horloge. Ce nombre est réglé de telle façon que 1 ' impulsion à sa sortie soit synchrone de 1 ' instant où la valeur de sortie du sommateur glissant 68 est égale à l'intégrale du signal détecté. La figure 5B représente une réalisation du sommateur glissant 68 qui réalise l'intégration de l'événement. Le signal codé en sortie du convertisseur analogique-numérique est dirigé vers un registre à décalage 682 dont le nombre d'étages représente la durée d'intégration. La sortie du registre à décalage 682 est connectée à l'entrée soustractrice d'un soustracteur 684 tandis que l'entrée positive est connectée au signal codé. La sortie du soustracteur est envoyée sur un accumulateur 686. La sortie de l'accumulateur 686 représente l'intégrale de l'événement lorsque le circuit 712 délivre son impulsion.
L'ensemble des moyens, associé à un photodétecteur, et décrit ci-dessus en liaison avec la figure 4 est désigné par la référence 88. A chaque photodétecteur est associé un tel ensemble de moyens.
Chaque photodétecteur compare ensuite la valeur de son intégrale numérique avec celle des photodétecteurs voisins. Un dispositif pour réaliser cette comparaison est représenté sur la figure 7. Sur cette figure, les photodétecteurs voisins, dits de première couronne, sont représentés schématiquement par les références 160-1, ..., 160-6. A chacun de ces photodétecteurs est associé un ensemble de moyens équivalent aux moyens 88 associés au photodétecteur 60. L'intégrale numérique correspondant au signal délivré par le photodétecteur 60 est comparée avec 1 ' intégrale numérique du signal délivré par chacun des photodétecteurs 160-1, ..., 160-6, et ceci à l'aide de moyens de comparaison, ou comparateurs 90-1, ..., 90-6. Les comparateurs travaillent en permanence (à chaque pas de codage) et fournissent un résultat de comparaison qui prend la valeur 1 lorsque la valeur de l'intégrale courante du photodétecteur 60 est plus grande que 1 ' intégrale courante du photodétecteur voisin auquel il est comparé, et la valeur 0 dans le cas contraire. Les 6 résultats de comparaison sont envoyés vers un dispositif 92 (figure 7) composé d'un circuit ET à 6 entrées, qui délivre un signal égal à 1 lorsque tous les résultats de comparaison sont égaux à 1, c'est-à-dire lorsque la valeur de l'intégrale courante du photodétecteur 60 est plus grande que celle de tous ses voisins. La sortie du circuit ET est une première condition qui permet de valider, ou non, le signal EVT (ou demande de stockage DMDS) fourni par le circuit 712 (figure 5A) , et qui résulte de la détection d'un maximum sur le signal codé. L'intégrale numérique correspondant au signal délivré par le photodétecteur 60 (c'est-à-dire le signal d'intensité maximum) et les intégrales numériques correspondant aux signaux délivrés par les photodétecteurs 160-1, ••-, 160-6 (c'est-à-dire les signaux issus des photodétecteurs de première couronne) sont mémorisées dans le dispositif 94 de mémorisation associé au photodétecteur 60.
Une fois ces valeurs mémorisées, des moyens, qui peuvent être intégrés à l'ensemble 94, peuvent permettre de calculer toute grandeur caractéristique de l'événement. Ainsi, il est possible de calculer l'énergie totale de l'événement : pour cela, la somme 6 E = ∑ Ej_ de toutes les intégrales numériques Ex i=0 correspondant au photodétecteur principal 60 et aux photodétecteurs voisins 160-1, ..., 160-6 est réalisée.
Il est également possible de calculer, ou d'estimer, les coordonnées locales de l'événement, par rapport au champ de N photodétecteurs, par exemple par des formules de type :
6
Σ EiXid
X = ≡ O , , v
6
∑Ei i= 0
Σ EiY^
Y = i = 0 6
∑Ei i= 0
où :
- d représente la distance séparant deux photodétecteurs adjacents sur l'axe des X (entre les centres de ces deux photodétecteurs),
1 est la distance séparant deux photodétecteurs adjacents sur l'axe des Y,
- et où les coordonnées des photodétecteurs 160-1, ... , 160-6 sont repérées par leur centre sous la forme (Xlf Y avec Xiel-1,0,1} et 0, 1}, dans un repère orthogonal (0,i,j) tel qu'illustré sur la figure 8, où 0 représente le milieu du photodétecteur central 60, i le vecteur unitaire suivant l'axe des X, et j le vecteur unitaire suivant l'axe des Y. La grandeur caractéristique de l'événement, une fois calculée, peut être ensuite transmise à 1 ' extérieur.
Parallèlement aux comparaisons effectuées à l'aide des comparateurs 90-1, ..., 90-6, la valeur de 1 ' intégrale numérique du photodétecteur 60 est transmise à un ensemble de comparateurs, dont chacun est associé à un des photodétecteurs périphériques 160-1, ..., 160-6, le photodétecteur 60 étant alors traité comme photodétecteur de première couronne pour les autres photodétecteurs. Ainsi, à chaque photodétecteur de l'ensemble du champ de N photodétecteurs est associé un dispositif du type de celui qui est illustré ci-dessus sur la figure 7, y compris un dispositif de mémorisation 94 et, éventuellement de calcul.
Du fait des comparaisons effectuées dans les comparateurs associés à chaque photodétecteur, c'est-à- dire du fait des comparaisons effectuées localement, c'est bien le photodétecteur produisant un signal, d'intensité ou d'énergie, maximale qui est considéré comme photodétecteur "central" pour l'événement, ses photodétecteurs voisins étant alors considérés comme photodétecteurs de première couronne pour l'événement ; de même, c'est bien alors l'intégrale numérique de ce photodétecteur central qui est stockée ou mémorisée en tant que signal "principal", tandis que les intégrales numériques correspondant aux photodétecteurs de première couronne sont stockées ou mémorisées dans les autres registres, et correspondent à des valeurs secondaires, chacune étant inférieure à la valeur de 1 ' intégrale numérique associée au photodétecteur central ou principal. Les procédés et dispositifs décrits ci-dessus sont ceux d'une "architecture cellulaire", qui permet aux photodétecteurs de comparer entre eux les flux lumineux qu'ils reçoivent, et de déterminer lesquels, parmi eux, sont concernés par l'interaction. Le stockage de l'intensité maximum et des intensités des voisins de première couronne peut donc être réalisé dans le dispositif de mémorisation associé au photodétecteur central, c'est-à-dire au photodétecteur qui délivre le signal d'intensité maximum. Un tel procédé permet d'améliorer la performance de taux de comptage des photodétecteurs, grâce au traitement local d'une information numérisée.
En outre, deux événements se produisant simultanément, en deux endroits suffisamment distincts l'un de l'autre, peuvent être pris en compte. Là encore, ceci permet d'accroître le taux de comptage.
En ce qui concerne le calcul de la, ou des, caractéristique (s) de l'événement, une fois que le photodétecteur central et les photodétecteurs voisins ont été identifiés, deux possibilités sont disponibles.
Selon la première, les calculs des caractéristiques (par exemple : énergie, position) sont effectués au niveau local, c'est-à-dire, dans le cas de la figure 7, à l'intérieur même du dispositif 94 associé au photodétecteur 60. Les résultats des calculs sont ensuite dirigés, par un bus commun à tous les photodétecteurs vers des moyens de collecte et d'exploitation extérieurs, par exemple un microprocesseur d'un micro-ordinateur. C'est le procédé qui a été décrit ci-dessus.
Selon une deuxième méthode, les calculs sont effectués à l'extérieur de l'ensemble des architectures cellulaires des photodétecteurs. Dans ce cas, toutes les valeurs mémorisées dans les moyens de mémorisation 94 sont transférées vers un organe de calcul externe, non représenté sur les figures. En termes de taux de comptage, c'est-à-dire de nombres d'événements traités par seconde, la première possibilité est avantageuse, du fait que seules les grandeurs caractéristiques associées à l'événement sont à transférer vers l'extérieur, au lieu de toutes les intégrales numériques des photodétecteurs concernés. En outre, il y a alors un système de calcul par photodétecteur.
La seconde possibilité offre l'avantage de n'être pas figée dans les grandeurs à calculer, et de pouvoir modifier, pour une grandeur donnée, la méthode de calcul. Cette seconde possibilité, qui peut être réalisée avec un système programmable (DSP, microprocesseurs, opérateurs dédiés, etc..) est plus souple, d'autant qu'il est alors possible de regagner en taux de comptage en multipliant les moyens de transfert et de calcul.
Des aspects particuliers de l'invention permettent de tenir compte des problèmes éventuels posés par les événements saturants et/ou par les empilements.
Les événements saturants sont des événements de très grande énergie, par exemple des rayons cosmiques, qui peuvent traverser le détecteur en provoquant en sortie une impulsion saturante dont la durée peut être très longue par rapport à celle des signaux utiles. Afin d'éviter ces problèmes, l'événement détecté est invalidé dès qu'un échantillon du signal digitalisé correspondant atteint un certain niveau dynamique, par exemple le niveau maximum (255 si cas de codage sur 8 bit) .
Un empilement correspond à la coïncidence de deux événements simultanés ou quasi-simultanés (séparés, dans le cas d'une gamma-caméra, par exemple par moins de 1 μs) et proches l'un de l'autre, c'est-à- dire espacés au plus par deux couronnes de photodétecteurs .
La figure 9B donne l'allure du signal résultant d'un empilement : les formes d'ondes s'additionnent.
Considérons un événement simple d'amplitude maximale (figure 9A) . Soit t3 l'instant où le signal passe au-dessus d'un seuil S et t4 l'instant où le signal repasse sous le seuil. Posons ΔT=t4-t3. Considérons maintenant un événement quelconque.
Soit t3' l'instant où le signal passe au-dessus du seuil. L'événement sera considéré comme valide si, à l'instant t3'+ΔT, le signal est au seuil S ou en- dessous du seuil S. Ceci sera vrai pour un événement simple d'amplitude moindre ; par contre en cas d'empilement (figure 9B) , le signal ne repassera au niveau S qu'à t3'+ΔT' et sera au-dessus du seuil à t '+ΔT, puisque ΔT ' >ΔT . Dans un tel cas, également, l'événement détecté est invalidé. Pour éviter tous ces problèmes de saturation ou d'empilements, on repère l'instant de franchissement du seuil S par le signal. Dès le seuil franchi, un compteur se déclenche. Si n coups d'horloge plus tard, n étant fixé et correspondant à la durée ΔT, l'échantillon est supérieur au seuil, alors l'événement est invalidé : un signal de validité (VAL) prend la valeur "0". ΔT et S sont fixés en fonction du type d'événement à détecter.
On peut choisir que, si le signal d'un photodétecteur est invalidé, il le reste pendant un certain temps, par exemple 1 μs .
Il a été expliqué ci-dessus comment tenir compte, pour le calcul d'une caractéristique d'un événement, des photodétecteurs de première couronne (photodétecteurs 160, 161 sur la figure 3A) autour du photodétecteur principal.
Il peut être important de prendre également en compte les photodétecteurs de deuxième couronne.
A cette fin, dès qu'un photodétecteur est retenu en tant que photodétecteur central (c'est-à-dire que son signal est le plus grand et que, si un test de validité est réalisé, il est valide) , les moyens 92 émettent un signal "wevt" vers le système de stockage local 94 et vers les systèmes de stockage des photodétecteurs de première couronne indiquant qu'il faut retenir l'événement, c'est-à-dire qu'il faut stocker les valeurs des intégrales et éventuellement calculer les grandeurs caractéristiques de l'événement. Un tel signal est envoyé de manière synchrone à un coup d' horloge . Comme, par ailleurs, un signal d'événement
"evt" est émis sur le coup d'horloge précédent, le schéma temporel résultant est celui de la figure 10.
Après que le signal "wevt" ait été transmis aux voisins de la première couronne, ceux-ci transmettent la valeur de deux intégrales de photodétecteurs de deuxième couronne à la mémoire 94 du photodétecteur central (figure 7) . Une fois mémorisées les valeurs des intégrales numériques des photodétecteurs de première et de deuxième couronnes, ces valeurs peuvent être transmises vers l'extérieur, pour un calcul extérieur de grandeurs du type énergie ou position de l'événement.
Ou bien, conformément à ce qui a déjà été expliqué ci-dessus, les grandeurs sont calculées par les moyens 94 eux-mêmes et ensuite transmises à 1 ' extérieur. L'une et l'autre de ces possibilités présentent chacune des avantages qui ont déjà été indiqués précédemment .
Le calcul de l'énergie se fera par exemple en appliquant la formule :
19 E = ∑ Ei i= l
(où i=l, ...19, désigne les 19 valeurs d'intégrales numériques à prendre en compte pour un système à structure hexagonale) .
Le calcul de la position se fera par exemple en appliquant les formules suivantes, semblables aux formules (1) et (2) déjà présentées :
19
Σ xiEid
X ≈ i%— (3) ∑Ei i = l
19
∑ YiEi^
Y = i= l
19 Α )
∑Ei i= l Xx et Yj. repèrent les coordonnées des photodétecteurs de première et de deuxième couronnes dans un repère du type de celui de la figure 8 : Xj.ef-2,-1, 0,1, 2} ;
¥,£{-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}.
La figure 11 représente un autre mode de réalisation d'un dispositif électronique 170 associé à un photodétecteur 60. Un tel dispositif est associé par ailleurs à chacun des autres photodétecteurs. Une horloge unique est appliquée à tous les photodétecteurs et définit le pas p de codage.
Un tel dispositif comporte d'abord un premier ensemble fonctionnel 188 qui réalise les fonctions suivantes, déjà décrites ci-dessus : conversion courant-tension, digitalisation du signal issu du photodétecteur, intégration, détection du passage du signal par un maximum. De plus, un signal DMDS (équivalent au signal EVT du mode de réalisation précédent) de demande de stockage est généré à chaque détection d'un maximum et synchronisé avec l'intégrale du signal concerné disponible.
En outre, cet ensemble fonctionnel peut assurer les fonctions de test de vraisemblance de forme de l'impulsion par analyse de l'amplitude ou de la durée au-dessus d'un seuil, comme expliqué plus haut.
Lors de chaque pas de codage, le dispositif 170 transmet aux dispositifs correspondants des photodétecteurs 160-1, ..., 160-6 voisins les données suivantes : 1 - la valeur de l'intégrale courante DATA0,
2 - un signal de validité (signal VAL0) émis lorsque les deux conditions suivantes sont remplies : * le dispositif 170 est apte à recevoir un ordre de stockage (registre de stockage 194 disponible) ,
* le signal DATA0 qu'il transmet à ses voisins est correct (signal testé VRAI) , 3 - un signal de décision de stockage (signal DSo) dont l'élaboration est expliquée par la suite.
En retour, le dispositif 170 reçoit donc de chacun des voisins 106-1, .--, 160-6 de première couronne : 1 -l'intégrale courante DATAi (i=l, ..., 6),
2 - un signal de validité VAL, (i=l, ..., 6),
3 - un signal de décision de stockage DSi (i=l, ..., 6), équivalent au signal WEVT du mode de réalisation précédent . Ainsi, à chaque pas de codage, le dispositif
170 associé au photodétecteur 60 peut comparer la valeur courante DATA0 avec celle de ses voisins et se déterminer comme étant le plus grand ou non. Lorsqu'à un instant donné un événement est détecté (passage du signal codé par un maximum, supérieur à un seuil) , et lorsque 1 ' intégrale numérique de cet événement est disponible, le dispositif fait une demande de stockage : un signal DMDS est émis vers un dispositif de génération de décision de stockage 192 (équivalent au dispositif 92 déjà décrit ci-dessus) .
Cette demande est confirmée si, à cet instant :
1 - la valeur de l'intégrale du photodétecteur 60, qui demande le stockage, est plus grande que la valeur de l'intégrale de chaque voisin de première couronne,
2 - le critère de validité (signaux VAL0 et VALi, i=l-6) est rempli pour le photodétecteur demandeur ainsi que pour ses voisins de première couronne. Lorsque ces conditions sont réunies, la demande de stockage est validée (signal DSo) . Elle est alors effective dans le photodétecteur demandeur et transmise à ses voisins de première couronne par 1 ' intermédiaire du signal "décision de stockage" DS0.
Ceci a pour effet :
1 -dans le dispositif 170, de stocker en mémoire 194, la valeur DATA0 de l'intégrale courante du photodétecteur 60 et les intégrales DATA, (i=l-6) de ses voisins de première couronne,
2 - dans chaque dispositif électronique associé à chacun des photodétecteurs voisins (de première couronne) de stocker la valeur courante des intégrales de deux de ses propres photodétecteurs voisins de première couronne (qui sont, pour certains, des photodétecteurs de deuxième couronne du photodétecteur demandeur) choisis de telle façon que toutes les valeurs courantes des photodétecteurs de deuxième couronne du photodétecteur demandeur soient récupérées.
Lorsque cette opération est effectuée, le système se trouve dans l'état suivant :
- le registre de stockage 194 du photodétecteur demandeur 60 dispose de la valeur de sa propre intégrale numérique et de la valeur de l'intégrale des photodétecteurs voisins de première couronne,
- les registres des photodétecteurs voisins de première couronne disposent chacun de deux valeurs d'intégrale de photodétecteurs de deuxième couronne. On peut préciser de la manière suivante le rôle des entrées DSi sur le dispositif 194 : sur le photodétecteur demandeur il ne peut pas y avoir de DSi actifs au moment où le photodétecteur demandeur envoie une décision de stockage car les intégrales des photodétecteurs de première couronne sont plus petites que celles du photodétecteur central, - sur les photodétecteurs de première couronne, DSi sert à stocker la valeur de deux intégrales de deuxième couronne.
Ainsi pour des photodétecteurs hexagonaux, ou ronds, arrangés en nid d'abeilles (cas de la figure 3A) , le registre de stockage du photodétecteur demandeur 60 aura stocké sept valeurs ; chacun de ses six photodétecteurs de première couronne stocke deux valeurs, soit en tout dix-neuf valeurs. De même pour des photodétecteurs carrés (figure 3B) , le photodétecteur demandeur aura stocké neuf valeurs, et chacun de ses huit voisins deux valeurs, soit en tout vingt-cinq valeurs.
Ceci est vrai pour les photodétecteurs demandeurs ayant une première et une deuxième couronnes complètes. Pour garder la modularité du circuit, lorsque les photodétecteurs n'ont pas tous leurs voisins (sur les bords du champ) , les entrées des photodétecteurs manquants seront fixées à zéro.
Des moyens 196 de type séquenceur permettent de réaliser la gestion des transfert et du calcul et de donner aux moyens 198, de génération d'un signal d'occupation, un signal de fin d'utilisation du stockage .
Les moyens de multiplexage 171 sont pilotés par la fonction 196 "gestion des transferts" et assurent la fonction suivante. Lorsqu'une décision de stockage a été effectuée les photodétecteurs de première couronne ont mémorisé la valeur de deux photodétecteurs de deuxième couronne. Pour transférer ces valeurs vers le photodétecteur demandeur on va utiliser, pour diminuer le nombre de liaisons entre photodétecteurs, le bus de sortie DATA de chaque photodétecteur de première couronne et remplacer la valeur de l'intégrale courante successivement par les deux valeurs à transmettre. Le photodétecteur demandeur va ainsi recevoir sur des entrées DATAa à DATAf les valeurs des photodétecteurs de deuxième couronne. Il les stocke à côté de celles qu'il avait déjà.
Les moyens 192 de génération de décision de stockage peuvent être réalisés de la manière décrite en figure 12.
Les moyens 198 de génération d'un signal "occupation" peuvent avoir la forme illustrée en figure 13, où la référence 193 désigne une bascule de type D avec preset.
La sortie occupation est mise à l'état logique (VRAI) par l'une des sept entrées décision de stockage. Cet état est maintenu jusqu'à ce que les valeurs acquises aient été utilisés. Le système de gestion des transferts fournit alors une impulsion de remise à zéro .
Les fonctions et le système décrits ci-dessus peuvent être intégrés dans un circuit ASIC. Autrement dit, à chaque photodétecteur du réseau de N photodétecteurs, est associé un circuit ASIC.
L'ASIC numérique de chaque photodétecteur peut comporter ou assurer les fonctions suivantes : intégration, détection du maximum, entrées des photodétecteurs voisins, sortie vers les photodétecteurs voisins, comparateurs, registres de stockage, séquencement , dispositif de calcul des ou d'une grandeur (s) caractéristique (s) d'un événement, dispositif de lecture.
L'ASIC numérique peut en outre comporter les fonctions suivantes :
- multiplication de gain,
- correction de ligne de base,
- gestion des événements saturants.
Afin d'évaluer la complexité de l'ASIC numérique associé à chaque photodétecteur, c'est-à-dire son nombre de portes élémentaires, sa surface et son nombre de plots d'entrées/sorties, on peut étudier ses composants qui requièrent le plus de portes. Ce sont principalement : • les registres,
• les additionneurs,
• les compteurs,
• les multiplexeurs,
• les multiplieurs et diviseurs (pour le barycentre) . Tous ces composants sont constitués de cellules de base que sont :
• la bascule D,
• l'additionneur 1 bit (cellule FA détaillée plus loin) , • le multiplexeur 2 bits vers 1 bit.
Ce à quoi il faut ajouter la logique combinatoire environnante.
La bibliothèque MHS donne le nombre de portes logiques équivalent à chacune de ces cellules de base. Ainsi :
• une bascule D simple horloge ( "Single-clock D flip flop" : DFF) comprend 5 portes,
• un additionneur 1 bit (FA) comprend 9 porte, • un multiplexeur 2 vers 1 (MUX2) comprend 3 portes.
Un additionneur de 2 nombres de n bits nécessite n cellules FA ("Full Adder", constituée de 9 portes) . Du point de vue du nombre de portes, un soustracteur est à considérer comme équivalent à un additionneur .
Pour multiplier un nombre de n bits par un nombre de m bits, avec n>m, un multiplieur comprend n*(m-l) cellules FA. A titre d'exemple, un multiplieur parallèle 13x13 bits de la bibliothèque ES2 a un temps de calcul de 36.8 ns pour une surface occupée de 0,78 mm2, ce qui est amplement suffisant pour les performances envisagées ici. Le schéma de la figure 14 donne un aperçu schématique de la façon dont sont agencées les entités d'intégration et de commande (les moyens 188 de la figure 12) .
Le sommateur glissant est détaillé sur la figure 14, la partie assurant le multiplexage de la sortie est détaillée sur la figure 15.
Le sommateur comporte un registre à décalage à N bascules Di, ..., DN et un sommateur. Le soustracteur 220 permet de calculer l'écart entre l'entrée et la sortie du registre à décalage.
L'additionneur 221 accumule ces écarts dans le registre 223. Un circuit de détection de ligne de base 222 composé d'un comparateur et d'un registre à décalage pilote un registre de stockage 225 De la ligne de base. Celle-ci est alors soustraite par le soustracteur 226 à la valeur courante de la somme glissante. Les moyens 224 qui assurent la détection des événements et la notion de validité sont essentiellement composés d'une détection de maximum, réalisée à l'aide d'un comparateur, suivi d'un registre à décalage nécessaire pour synchroniser le signal événement avec la sortie de l'intégrale correspondante. Le sommateur glissant est composé d'un registre à décalage (10 registres à 8 bits soit 10*8=80 bascules D),d'un registre de 12 bits (12 bascules D) , d'un sommateur sur 12 bits et d'un soustracteur sur 8 bits, soit (12+8)=20 cellules FA. Le sommateur comprend donc 92 DFF et 20 FA.
- La détermination de la ligne de base requiert une logique de comparaison et un registre à décalage de 16 bits avec remise à zéro, soit 16 DFF.
Il faut rajouter le registre d'offset 12 bits et le soustracteur 12 bits, ce qui correspond à 12 DFF et 12 FA.
La partie multiplexage de la sortie peut se schématiser comme illustré en figure 15.
Elle comporte 2 registres de 12 bits, (24 DFF) , 1 multiplexeur à 6 entrées de 12 bits, et 1 multiplexeur à 8 entrées de 12 bits.
Or, pour faire un MUX à 6 entrées, on a besoin de 5 MUX à 2 entrées. De même, il faut 7 MUX à 2 entrées pour faire un MUX à 8 entrées. Donc au total il faut (7+8)*12=180 MUX2.
En résumé, l'entité d'intégration et de multiplexage comprend :
• 144 DFF, soit 144*5=720 portes,
• 32 FA, soit 32*9=288 portes, • 180 MUX2, soit 180*3=540 portes.
Ce qui porte le nombre de portes à un total d'environ 1600 portes, en comptant la logique combinatoire environnante. L'entité de commande (92, 192 sur les figures 7 et 12) comprend, notamment :
• 4 comparateurs 8 bits (soit environ 4*8*5=160 portes) .
• Un compteur de 10 bits et un de 6 bits, soit 16 DFF, donc 80 portes,
• si l'on rajoute toute la logique de sequencement, on peut évaluer l'entité commande à 300 portes.
L'entité de comparaison (190-1, ..., 190-6 sur la figure 11) comporte :
• 6 comparateurs 12 bits, soit 360 portes,
• 19 registres de 12 bits pour le stockage des énergies, soit 228 FFD dont 1200 portes.
En ce qui concerne l'entité de calcul du barycentre, on a déjà vu que ce calcul peut se faire en appliquant les formules (1), (2) et (3), (4) ci-dessus. La structure de calcul comprend donc :
• un multiplieur 12*4 bits, soit 36 FA,
• un registre 14- bits, soit 14 DFF,
• un sommateur 14 bits, soit 14 Fa,
• il faut 3 autres sommateurs 14 bits pour obtenir la somme des 18 valeurs, soit 42 FA,
• un registre de stockage du résultat sur 14 bits (X' ou Y' ) , soit 14 DFF.
Cette structure est à répéter deux fois puisqu'il y a deux coordonnées, donc au total on a : • 384 FA, soit 3460 portes,
• 112 DFF, soit 560 portes, donc 4000 portes. On a ainsi besoin de deux multiplieurs parallèles, un 14*13 bits et un 14*6 bits, ce qui représente 238 FA.
Il faut un registre de 27 bits et un de 20 bits pour stocker les résultats, soit 47 DFF. Cela donne au total 2400 portes.
Il reste à diviser ces nombres par l'énergie totale, pour obtenir les coordonnées finales. Pour cela, on peut se contenter d'effectuer une division séquentielle en 9 coups d'horloge. A cette fin, on peut évaluer que, pour diviser 27 bits par 14 bits et obtenir 9 bits, on a besoin de :
• 1 registre 27 bits avec 27 MUX2,
• 1 registre 14 bits, • 1 registre 9 bits,
• 1 soustracteur 14 bits.
Ceci équivaut à 50 DFF, 14 FA et 27 MUX2, soit au total environ 500 portes.
Il faut deux diviseurs au total, ce qui fait 1000 portes.
L'entité de "transfert" 196 (figure 11) nécessite trois registres pour stocker X, Y et E, soit deux registres de 9 bits et 1 de 14 bits, ce qui équivaut à 32 DFF, soit 160 portes. Si l'on ajoute la logique de sequencement, on peut évaluer l'entité à 200 portes .
L'ASIC est ainsi évalué à 11000 portes. Dans la technologie de 0,7 μm, le nombre de portes par mm2 est d'environ 1400 portes/mm2. On peut donc évaluer la surface occupée par les portes à 8 mm2, soit environ
3 mmx3 mm.
Un boîtier de 140 pattes peut être utilisé. L'invention décrite s'applique à une gamma- caméra telle que décrite dans 1 ' introduction à la demande, en liaison avec la figure 1. Elle s'applique avantageusement à la mise en oeuvre des techniques de "correction d'atténuation par transmission" et de "PET (Position Emission Tomography) en coïncidence, déjà décrites dans l'introduction à la présente demande.
L'invention a été décrite en utilisant l'intégrale numérique comme signal représentatif de l'intensité de chaque signal provenant de chaque photodétecteur.
En fait, on peut aussi utiliser, à la place de l'intégrale numérique, l'intensité au maximum du signal numérique ou du signal analogique. Cependant, l'intégrale numérique est la quantité qui convient le mieux à la mise en oeuvre de l'invention.
Si on veut mettre en oeuvre un dispositif dans lequel l'intensité au maximum du signal numérique ou du signal analogique est choisie en tant que quantité représentative de l'intensité de chaque signal provenant de chaque photodétecteur, il suffit de remplacer, dans la chaîne de détection associée à chaque photodétecteur, les moyens pour calculer une intégrale numérique par des moyens pour détecter un maximum numérique ou analogique. La gestion des données obtenues (comparaison, mémorisation) se fait ensuite de la même manière que décrite ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement de signaux produits par un ensemble de N photodétecteurs en réponse à un événement à détecter, comportant : - la comparaison, pour chaque photodétecteur, d'un signal représentatif de l'intensité du signal numérisé obtenu à partir du signal émis, avec une valeur seuil,
- la comparaison, pour chaque photodétecteur émettant un signal dont l'intensité dépasse ledit seuil, de l'intensité du signal qu'il émet avec l'intensité du signal émis par chacun des photodétecteurs voisins, dits de première couronne,
- la mémorisation de la valeur de l'intensité maximum parmi toutes les intensités comparées, ainsi que des intensités des signaux émis par les photodétecteurs voisins du photodétecteur dont le signal présente l'intensité maximum.
2. Procédé selon la revendication 1, le signal représentatif de l'intensité du signal numérisé étant soit une intégrale numérique du signal numérisé, soit l'intensité au maximum du signal numérisé, soit l'intensité au maximum du signal analogique.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, au moins un signal, représentatif d'une grandeur caractéristique de l'événement, étant produit à l'aide des intensités mémorisées.
4. Procédé selon la revendication 3, un signal représentatif de l'énergie de l'événement étant produit.
5. Procédé selon la revendication 3, un signal représentatif de la position de l'événement par rapport à l'ensemble des N photodétecteurs étant produit.
6. Procédé selon la revendication 3, au moins deux signaux représentatif des coordonnées barycentriques de l'événement par rapport à l'ensemble des N photodétecteurs étant produit.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à
6, un signal d'événement étant émis, pour chaque photodétecteur, lorsque le signal représentatif de l'intensité du signal numérique est formé.
8. Procédé selon la revendication 7, l'intensité du signal numérique étant représentée par son intégrale numérique, celle-ci étant calculée sur un certain nombre de pas d'horloge, à partir du maximum du signal numérique, et le signal d'événement étant émis un certain nombre de pas d'horloge après le passage par le maximum.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à
8, comportant en outre une étape de détection et de rejet d'événements saturants et/ou d'empilements d' événements .
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à
9, comportant en outre une étape de calcul et de mémorisation des intensités des photodétecteurs dits de deuxième couronne.
11. Procédé selon l'une des revendications 3 à 6 et selon la revendication 10, le signal représentatif d'une grandeur caractéristique de l'événement étant produit à l'aide des intensités mémorisées des photodétecteurs de première et deuxième couronnes.
12. Procédé pour identifier une caractéristique d'un événement se produisant devant un ensemble de N photodétecteurs, comportant :
- l'identification d'un sous-ensemble de Ni photodétecteurs, concernés par l'interaction, c'est- à-dire ayant produit un signal en réponse à 1 ' événement, - la production d'un signal représentatif de la caractéristique de l'événement, en fonction des intensités :
* du signal d'intensité maximum parmi les Ni signaux produits par les Ni photodétecteurs, en réponse à 1 ' événement,
* et des signaux émis par les photodétecteurs voisins (dits de première couronne) du photodétecteur dont le signal présente l'intensité maximum parmi les Ni photodétecteurs.
13. Procédé selon la revendication 12, la caractéristique étant l'énergie de l'événement.
14. Procédé selon la revendication 12, la caractéristique étant la position de l'événement par rapport à l'ensemble de N photodétecteurs.
15. Procédé selon la revendication 14, la position étant repérée par un couple de coordonnées barycentriques.
16. Procédé selon la revendication 12, le signal représentatif de la caractéristique d'un événement étant produit en fonction, en outre, des intensités des photodétecteurs de deuxième couronne.
17. Procédé selon l'une des revendications 12 à
16, l'intensité du signal produit par chaque photodétecteur étant soit une intégrale numérique du signal numérisé, soit l'intensité au maximum du signal numérisé, soit l'intensité au maximum du signal analogique.
18. Dispositif pour le traitement de signaux produits par un ensemble de N photodétecteurs, comportant : - des moyens pour comparer, pour chaque photodétecteur, l'intensité d'un signal émis avec une valeur seuil,
- des moyens pour comparer, pour chaque photodétecteur émettant un signal dont l'intensité dépasse ledit seuil, l'intensité du signal qu'il émet avec l'intensité d'un signal émis par chacun des photodétecteurs voisins,
- des moyens pour mémoriser la valeur de l'intensité maximum parmi toutes les intensités, ainsi que les intensités des signaux émis par les photodétecteurs voisins du photodétecteur dont le signal présente l'intensité maximum.
19. Dispositif selon la revendication 18, comportant en outre des moyens pour produire un signal représentatif d'une grandeur caractéristique d'un événement à l'aide des intensités.
20. Dispositif selon la revendication 19, au moins un signal représentatif de l'énergie de l'événement, ou de la position ou des coordonnées barycentriques de l'événement par rapport à l'ensemble de N photodétecteurs, étant produit.
21. Dispositif selon l'une des revendications 18 à 20, comportant en outre des moyens pour émettre un signal d'événement, pour chaque photodétecteur, lorsque l'intensité est calculée.
22. Dispositif selon la revendication 21, comportant des moyens pour détecter le passage du signal par son maximum et pour émettre le signal d'événement un certain temps après le passage par le maximum.
23. Dispositif selon l'une des revendications 18 à 22, comportant en outre des moyens de détection et de rejet d'événement saturants et/ou d'empilements d ' événements .
24. Dispositif selon l'une des revendications
18 à 23, comportant des moyens de calcul et de mémorisation des intensités des photodétecteurs de deuxième couronne.
25. Dispositif selon l'une des revendications
19 ou 20 et selon la revendication 24, le signal représentatif d'une grandeur caractéristique de l'événement étant produit à l'aide des intensités des photodétecteurs de première et deuxième couronnes.
26. Dispositif selon l'une des revendications 18 à 24, comportant soit des moyens pour calculer une intégrale numérique du signal émis par chaque photodétecteur, soit des moyens pour identifier l'intensité au maximum d'un signal numérique correspondant au signal émis par chaque photodétecteur, ou pour identifier l'intensité au maximum du signal analogique émis par chaque photodétecteur.
27. Dispositif pour identifier une grandeur caractéristique d'un événement se produisant devant un ensemble de photodétecteurs, comportant :
- des moyens pour identifier un sous-ensemble de Ni photodétecteurs, _ ayant produit un signal en réponse à 1 ' événement, - des moyens pour produire un signal représentatif de la grandeur caractéristique de l'événement, en fonction des intensités :
* du signal d'intensité maximum parmi les Ni signaux, produits par les Ni photodétecteurs en réponse à l'événement,
* des signaux émis par les photodétecteurs voisins, dits de première couronne, du photodétecteur dont le signal présente 1 ' intensité parmi les Ni photodétecteurs .
28. Dispositif selon la revendication 27, la grandeur caractéristique étant l'énergie de 1 ' événement .
29. Dispositif selon la revendication 27, la grandeur caractéristique étant la position de l'événement par rapport à l'ensemble de N photodétecteurs .
30. Dispositif selon la revendication 28, la position étant repérée par un couple de coordonnées barycentriques .
31. Dispositif selon l'une des revendications 27 à 30, l'intensité de chaque signal produit par chaque photodétecteur étant soit une intégrale numérique de chaque signal, soit l'intensité au maximum du signal numérique correspondant, soit l'intensité au maximum du signal analogique.
32. Dispositif selon l'une des revendications 19 ou 27, les moyens pour produire un signal représentatif d'une grandeur caractéristique étant propres à chaque photodétecteur.
33. Dispositif selon l'une des revendications 19 ou 27, les moyens pour produire un signal représentatif d'une grandeur caractéristique étant communs à l'ensemble des photodétecteurs.
34. Dispositif pour la détection d'événements comportant :
- un réseau bi-dimensionnel de N photodétecteurs, - un dispositif selon l'une des revendications 18 à 33.
35. Caméra comportant un dispositif pour la détection d'événements selon la revendication 34, les photodétecteurs étant des photomultiplicateurs.
36. Dispositif d'imagerie en rayonnement gamma, comportant une caméra selon la revendication 35.
37. Dispositif selon l'une des revendications 18 à 33, les fonctions de détection de l'intensité du signal émis par chaque photodétecteur, de comparaison avec les photodétecteurs voisins, de mémorisation et/ou de production d'un signal représentatif d'un événement étant assurées par un ASIC associé à chaque photodétecteur .
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