FR2775793A1 - Procede de localisation et de selection en energie de photons gamma, application a la realisation de detecteurs rapides pour les tomographes a positons - Google Patents

Abstract

Procédé de localisation et de sélection en énergie de photons Gamma par une pluralité de détecteurs entourant l'objet émetteur de positons, chaque détecteur comportant un photomultiplicateur (11a, 11b, 11c... ) associé à plusieurs scintillateurs (12a, 12b, 12c... ), pour détecter les photons Gamma d'annihilation des positons.Le scintillateur délivre une émission de lumière dans deux domaines de longueurs d'onde et de réponse temporelle. La composante rapide des scintillateurs (12a, 12b, 12c, 12d) associés à chaque photomultiplicateur (11a, 11b, 11c...) sert à déterminer la position des deux photomultiplicateurs ayant détecté la simultanéité de deux photons Gamma et à effectuer leur sélection en énergie.La composante lente transmise aux scintillateurs (15a, 15b,... ) des photomultiplicateurs adjacents (11b, 11c, 11d, 11e) à un photomultiplicateur donné (11a) ayant détecté la composante rapide, sert à déterminer la position des deux photons Gamma parmi les scintillateurs (12a, 12b, 12c, 12d) associés à ce photomultiplicateur (11a).

Description

PROCEDE DE LOCALISATION ETDE SELECTION EN ENERGIE DE
PHOTONS GAMMA , APPLICATION A LA REALISATION DE
DETECTEURS RAPIDES POURLES TOMOGRAPHESAPOSITONS
La présente invention concerne un procédé de localisation et de sélection en énergie de photons Gamma au moyen d'une pluralité de modules de mesure disposés autour de l'objet à étudier, comprenant chacun une paire de détecteurs agencés en regard l'un de l'autre avec interposition dudit objet chaque détecteur comportant au moins un photomultiplicateur associé à une pluralité de scintillateurs , pour définir une première fenêtre de coi'ncidence temporelle entre l'instant de détection d'un premier photon Gamma par l'un des détecteurs et l'instant de détection d'un deuxième photon Gamma par l'autre détecteur, suite à l'annihilation d'un positon par un électron de l'objet à étudier chaque désintégration d'un positon provoquant l'émission simultanée de deux photons Gamma dans deux directions opposées.

On sait que la détection d'un positon est effectuée par la mesure de la coïncidence temporelle entre les deux photons Gamma. Dans le cas de la tomographie médicale l'objet à étudier est constitué par les tissus humains et le processus d'annihilation se produit entre un électron des tissus et un positon du traceur émetteur de positons.

Ce principe connu de la détection de positons est mis en oeuvre dans le schéma de la figure 1 .

Ce dispositif comprend deux détecteurs (D1) et (D2) en regard l'un de l'autre ,comportant respectivement des scintillateurs rapides(2a) et (2b) associés à des photomultiplicateurs (3a) et (3b) .Les scintillateurs convertissent l'énergie du photon Gamma en photons lumineux et les photomultiplicateurs convertissent cette lumière en un signal électrique. Ces derniers sont électriquement reliés respectivement à des moyens d'alimentation en haute tension (4a) et (4b), et sont également tous deux reliés électriquement à des moyens électroniques (S) d'amplification de sélection en énergie et de comptage réalisables par l'homme de l'art . Les photomultiplicateurs permettent en outre de définir une fenêtre de coïncidence temporelle entre l'instant de détection d'un premier photon Gamma par l'un des détecteurs et l'instant de détection de l'autre photon Gamma par l'autre détecteur, suite à l'annihilation d'un positon par un électron de l'objet (6) à explorer. Ainsi, avec deux détecteurs cette méthode de détection permet uniquement de déterminer le lieu géométrique (7) d'émission du positon, lieu formé par le volume dont l'axe est celui des deux détecteurs (D1) et (D2) et dont la section est celle des scintillateurs. On considère que la probabilité de présence du point d'émission du positon est constante le long de cet axe.

Pour obtenir la distribution spatiale des positons au sein de l'objet 6 , il est nécessaire de disposer autour de l'objet un grand nombre de détecteurs tels que (D1, D2) . Chaque couple de détecteurs (D1,D2) détermine le lieu géométrique d'émission du positon tel que représenté en (7); ainsi la détection d'un très grand nombre de lieux géométriques de ce type permet d'obtenir la distribution spatiale des positons dans l'objet par la mise en oeuvre de méthodes de reconstruction d'images connues de l'homme de l'art .De tels dispositifs sont utilisés notamment pour les applications médicales, l'objectif étant de déterminer la distribution spatiale de traceurs fonctionnels émetteurs de positons injectés préalablement au sein d'un organe.

Les deux matériaux scintillateurs les plus utilisés pour la réalisation de tomographes pour applications médicales sont le Iodure de
Sodium ( NaI ) et le Gennanate de Bismuth ( BGO). Ce sont des matériaux choisis essentiellement pour leur bonne efficacité de détection ,en particulier le
BGO. Un troisième matériau, le Fluorure de Barium (BaF2) a également été utilisé : la très grande rapidité de réponse de ce matériau a permis la conception d'appareils très performants, appelés tomographes à temps de vol par l'homme de l'art. Ils se caractérisent par une excellente résolution temporelle qui permet de déterminer avec une certaine précision géométrique l'endroit d'émission du positon le long de l'axe des détecteurs (D1, D2) , alors qu'avec les autres matériaux la probabilité de présence de l'endroit d'émission est constante le long de cet axe . Il est connu que cette propriété se caractérise par un accroissement de la sensibilité de détection par rapport à la méthode conventionnelle utilisant comme scintillateur le BGO ou le NaI . Ce matériau a donné lieu à la réalisation de plusieurs appareils de recherche mais la complexité technologique de ces derniers fait que la méthode n'a pas reçue à ce jour de développement industriel.

La solution la plus évidente pour la conception d'un tomographe serait d'associer un scintillateur par photomultiplicateur, chaque couple scintillateurphotomultiplicateur étant conformé pour réaliser un pixel du système de détection du tomographe , ledit pixel représentant un élément de l'image de la distribution spatiale des positons. Cette solution serait néanmoins trop complexe et trop onéreuse pour la conception d'appareils destinés aux applications cliniques.

Dans tous les dispositifs commerciaux, le nombre de pixels est bien plus grand que le nombre de photomultiplicateurs, c'est à dire que la précision de localisation des photons Gamma est bien supérieure à celle que donneraient les dimensions propres des photomultiplicateurs.

La méthode connue de l'homme de l'art sous l'appellation de méthode d'Anger consiste à calculer la localisation de chaque photon
Gamma dans le scintillateur à partir de l'analyse de l'amplitude des signaux électriques recueillis par plusieurs photomultiplicateurs la sélection en énergie étant effectuée par la sommation de tous les signaux créés par un même événement. L'analyse des signaux électriques reçus par plusieurs photomultiplicateurs permet le calcul du barycentre de la tâche lumineuse dans le scintillateur, lequel barycentre représente la position du photon Gamma.

Dans le cas du BGO, le tomographe est constitué par la juxtaposition de modules de détecteurs, chaque module étant généralement formé de 4 photomultiplicateurs associés à un scintillateur monobloc convenablement structuré par des découpes mécaniques pour permettre de réaliser jusqu'à 32 ou 64 pixels par module . Les dimensions de chaque module sont limitées par la technologie de tirage des cristaux de BGO. C'est une solution performante mais assez onéreuse, réservée jusqu'à présent aux appareils de recherche clinique.

Dans le cas du Nazi, la technologie de tirage des cristaux permet la réalisation de scintillateurs de grandes dimensions ( 50 x 50 cm2) .

L'une des faces du scintillateur est alors entièrement tapissée de photomultiplicateurs (par exemple de diamètre 5 cm ou de section carrée de 5 cm de côté ) pour effectuer la mesure du barycentre de la tâche lumineuse
Cette solution est moins onéreuse que la précédente et paraît mieux adaptée aux applications cliniques de l'exploration du corps entier dans le domaine de la cancérologie par traceur émetteur de positons appelé couramment traceur FDG (Fluoro-Desoxy-Glucose ). Un tel dispositif connu présente néanmoins des limites physiques liées aux propriétés du scintillateur Nal.

La première limitation est liée à la faible capacité de comptage de cette technologie . En effet, pour l'exploration du corps humain, moins de 0,5 % des événements détectés sont des événements vrais . La très grande majorité des événements détectés est constituée d'événements parasites: ce sont des photons Gamma uniques qui ne créent pas de coïncidence temporelle laquelle coïncidence temporelle est le seul critère de sélection des événements vrais . Ces effets parasites sont connus de l'homme de l'art . De cette considération, il résulte que la capacité de comptage est une caractéristique majeure d'un tomographe médical. Or, pour un dispositif comportant plusieurs grands scintillateurs NaI, le temps mort pour chaque événement est important pour deux raisons principales: - d'une part, la constante de temps de décroissance de la lumière dans le scintillateur est de 250 nanosecondes (nsec), ce qui constitue une première limitation physique du taux de comptage de chaque photomultiplicateur, limitation d'autant plus grande que cette lumière diffuse sur une grande surface du scintillateur. C'est pourquoi le scintillateur reçoit généralement un traitement particulier sur la face opposée à celle couplée aux photomultiplicateurs pour réduire les dimensions de la tâche lumineuse.

- d'autre part, la méthode de localisation par barycentre fait qu'un même événement concerne un grand nombre de photomultiplicateurs.

La seconde limitation est liée à la précision de la coïncidence temporelle . La réponse temporelle du scintillateur ne permet pas de limiter la durée de la fenêtre de coïncidence à celle nécessitée par les dimensions de l'objet à étudier: étant donné qu'une nsec. correspond à une différence de longueur de parcours de 15 cm pour deux photons Gamma allant à la vitesse de la lumière et émis dans deux directions opposées, l'exploration d'objets de 45 cm de diamètre pourrait être faite théoriquement avec une fenêtre de coïncidence temporelle de 3 nsec. Ce n'est pas le cas avec le NaI car son temps de réponse conduit à adopter une fenêtre de coïncidence de 10 nsec. environ . I1 en résulte que , dans le cas d'un appareil médical, le taux de coïncidences fortuites est de deux à trois fois plus important que celui que donnerait un scintillateur plus rapide. Cela se traduit par une diminution du contraste d'image.

Enfin la troisième limitation majeure de la solution NaI est liée à sa faible efficacité de détection à 511 keV conjuguée à sa faible capacité de comptage
Les appareils commerciaux connus utilisent une discrimination en énergie réglée généralement à 350 keV, c'est à dire le seuil inférieur correspondant à la sélection de l'effet photoélectrique dans le Nal. Ce choix est fait pour réduire le taux de comptage créé par la détection des événements parasites décrits cidessus et diminuer corrélativement le taux de coïncidences fortuites de manière à éviter de saturer l'électronique d'acquisition par ces nombreux événements parasites . Le choix du seuil à 350 keV a pour conséquence de rejeter une quantité importante de bons événements dont l'énergie cédée dans le scintillateur se situe en dessous du seuil photoélectrique de 350 keV. I1 s'agit d'événements vrais ayant interagi dans le scintillateur par effet Compton, l'énergie perdue dans le scintillateur étant alors la différence entre 511 keV et l'énergie du photon Gamma diffusé dans le scintillateur lui-même . Or, on sait que la section efficace Compton est 4,5 fois plus grande que celle de l'effet photoélectrique . Ainsi , pour un seuil à 100 keV il a été démontré que l'efficacité de détection pour des photons de 511 keV serait environ deux fois plus grande que pour un seuil à 400 keV, c'est à dire quatre fois plus grande pour une détection en coïncidence. Cette évaluation est d'ailleurs en bonne concordance avec des données expérimentales obtenues avec le matériau BaF2
Pour accroitre l'efficacité de détection ,une solution serait d'augmenter l'épaisseur du scintillateur qui est généralement de 25 mm. Pour un tomographe médical cette option n'est pas possible car, compte tenu des dimensions des objets , les erreurs de localisation dues aux effets de parallaxe dans un grand scintillateur plan de NaI deviendraient prohibitives.

La présente invention a pour objectif de remédier aux inconvénients des dispositifs utilisant les matériaux BGO, NaI, ou temps de vol avec BaF2 .

Un premier objet de la présente invention concerne un nouveau procédé de localisation et de sélection en énergie de photons Gamma permettant d'associer plusieurs scintillateurs à chaque photomultiplicateur sans avoir les inconvénients de la méthode de localisation par barycentre décrits cidessus
Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que chaque scintillateur est un matériau apte à délivrer, en réponse à la détection d'un photon Gamma , une émission de lumière à deux composantes de longueurs d'onde différentes , et comportant une première composante à réponse temporelle rapide et une deuxième composante à réponse temporelle lente.

La première composante à réponse temporelle rapide sert à valider la présence d'un positon, suite à la détection du premier et du deuxième photons Gamma simultanés, entre un premier photomultiplicateur situé d'un côté de l'objet et un deuxième photomultiplicateur situé de l'autre côté de l'objet, et à effectuer la sélection en énergie des photons Gamma correspondants
La deuxième composante à réponse temporelle lente est transmise aux scintillateurs des photomultiplicateurs adjacents à chacun des deux photomultiplicateurs de chaque système de détection ayant détecté la composante rapide afin de déterminer la position des deux photons Gamma parmi les scintillateurs associés à chaque photomultiplicateur.

Selon une caractéristique du procédé selon l'invention, la détermination de la position des deux photomultiplicateurs est obtenue au moyen de la première fenêtre de coïncidence rapide , et la détermination de la position des deux photons Gamma sur chaque photomultiplicateur est obtenue au moyen d'une deuxième fenêtre temporelle activée par le signal de fin de coïncidence rapide pour indiquer, après intégration, la présence ou de l'absence de signal parmi les photomultiplicateurs adjacents.

Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, la deuxième fenêtre temporelle fournit un signal de codage numérique représentatif du lieu géométrique d'émission des premier et deuxième photons Gamma.

Un deuxième objet de l'invention consiste à réaliser un dispositif de mesure de la distribution spatiale d'un traceur émetteur de positons mettant en oeuvre le procédé précité pour la fabrication de tomographes à positons
Selon une caractéristique de l'invention, le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que chaque photomultiplicateur comporte un premier filtre optique composé d'une fenêtre de quartz pour chaque photomultiplicateur, laquelle est transparente à la fois à la composante rapide ultra violette et à la composante lente de la lumière émise par la pluralité de scintillateurs associés à chaque photomultiplicateur.

Les scintillateurs de chaque photomultiplicateur comportent, sur leurs faces latérales périphériques , un deuxième filtre optique pour transmettre exclusivement la composante à réponse temporelle lente de lumière aux scintillateurs des photomultiplicateurs adjacents
Les faces latérales non périphériques des scintillateurs associés à chaque photomultiplicateur, ainsi que les faces desdits scintillateurs du côté opposé à celui couplé à chaque photomultiplicateur, comportent un diffuseur de lumière opaque à la transmission de lumière entre les scintillateurs.

Le matériau utilisé pour réaliser les scintillateurs est préférentiellement du fluorure de barium ( BaF2) , mais tout autre matériau équivalent peut bien entendu être utilisé.

Selon un mode de réalisation préférentiel, le dispositif est caractérisé en ce que - chaque photomultiplicateur associé à une pluralité de scintillateurs est connecté à un circuit amplificateur délivrant un signal représentatif de la première composante à réponse rapide et de la deuxième composante à réponse temporelle lente.

- un discriminateur à seuil est connecté à la sortie de chaque circuit amplificateur pour détecter, après dépassement d'un seuil prédéterminé , la première composante rapide dudit signal de l'un quelconque des photomultiplicateurs.

- un circuit de coïncidence temporelle rapide reçoit le signal de sortie du circuit discriminateur du système de détection, et le signal de sortie homologue issu du système de détection opposé .

- un circuit de localisation reçoit les signaux de sortie du circuit amplificateur, en étant activé par un signal de fin de coïncidence rapide issu du circuit de coïncidence - et un circuit de codage délivre un signal numérique représentatif du lieu géométrique d'émission d'un positon.

Le circuit de codage est connecté à la sortie du circuit de localisation de chaque système de détection , et reçoit un signal de coïncidence rapide issu du circuit de coïncidence rapide pour valider la présence du positon.

Le circuit de localisation comporte avantageusement un circuit retardateur qui retarde les signaux fournis par le circuit amplificateur, et un circuit d'échantillonnage qui reçoit les signaux retardés issus du circuit retardateur, et les signaux non retardés du circuit amplificateur, et qui délivre au circuit de sortie les signaux représentatifs de la localisation d'un scintillateur.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de deux modes de réalisation donnés à titre d'exemple non limitatifs et représentés aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente le schéma de principe comme décrit précédemment; - la figure 2 est une vue schématique faite depuis la face d'entrée des scintillateurs d'un dispositif utilisant une mosaïque de quatre scintillateurs par photomultiplicateur; - la figure 3 est une vue perspective d'un module du dispositif de la figure 2; - la figure 4 est le schéma synoptique de l'électronique d'acquisition permettant d'effectuer la localisation et la sélection en énergie des photons Gamma; - la figure 5 est le schéma synoptique partiel d'une réalisation de l'électronique d'acquisition permettant d'effectuer les mêmes fonctions que celle de la figure 4 mais présentant une meilleure capacité de taux de comptage; - la figure 6 est une variante de la figure 2 représentant une vue schématique d'un dispositif utilisant neuf scintillateurs par photomultiplicateur.

La propriété utilisée et connue du BaF2 est l'émission de lumière simultanée dans deux domaines de longueurs d'onde telle qu'elle est décrite dans le brevet 81 12314 du 23/06/1981 au nom du CEA, invention de
Robert Allemand et Michel Lavai. Ces propriétés sont les suivantes: - une composante très rapide temps de décroissance 0,8 nsec. ) dans l'ultra violet ( UV ) à environ 225 nanomètres ( nm) et formée d'environ 800 photons.

- une composante beaucoup plus lente temps de décroissance de 600 nsec.) située au début du spectre visible ( émission centrée sur 320 nm ) et quatre fois plus intense que la précédente ( environ 3200 photons).

On sait par ailleurs que seule une fenêtre de quartz est transparente pour la composante UV à 225 nm et qu'une fenêtre en verre clair ordinaire assure uniquement la transmission de la composante lente à 320 nm.

Ainsi, la mise en oeuvre de ces propriétés pour effectuer la localisation de photons Gamma consiste à utiliser une pluralité de scintillateurs par photomultiplicateur et à filtrer convenablement les deux émissions de lumière de ces scintillateurs pour répartir sélectivement leur seule composante lente sur les photomultiplicateurs adjacents . La localisation est effectuée par le décodage des signaux électriques des photomultiplicateurs concernés, et la sélection en énergie est faite par le photomultiplicateur ayant reçu la composante rapide UV . Nous appellerons ce procédé : méthode de filtrage optique.

En référence à la figure 2 , le photomultiplicateur lia est équipé d'une fenêtre de quartz constituant un premier filtre optique qui assure la transmission des deux composantes lumineuses, et qui est couplé optiquement à quatre scintillateurs BaF2 polis sur la face orientée du côté du photomultiplicateur lesdits scintillateurs étant référencés par les repères (1 2a, l2b, 12c et 12d) . Leurs faces latérales communes (13a, 13b, 13c et 13d) sont brutes de découpe et sont totalement recouvertes d'un diffuseur de lumière qui empêche la transmission de la lumière entre lesdits scintillateurs . Les faces des scintillateurs (12a, 12b , 12c et 12d) comportent, sur le côté opposé à celui couplé au photomultiplicateur (lia) , un revêtement diffuseur de la lumière qui est opaque à la transmission de cette dernière entre les scintillateurs . Toutes les faces externes (l4a, 14b 14c et 14d) du groupe des quatre scintillateurs (12a, 12b, 12c et 12d) sont polies et couplées optiquement par un verre clair aux scintillateurs des quatre photomultiplicateurs adjacents référencés (i lb, lic, 1 id et 1 le) . Le verre clair constitue un deuxième filtre optique qui assure exclusivement la transmission de la composante lente de lumière des quatre scintillateurs (12a), (12b) , (12c) et (12d) aux scintillateurs adjacents à ces derniers . Par exemple, le scintillateur (12a) transmet la composante lente créée par la détection d'un photon Gamma aux deux scintillateurs référencés (lSa) et (lob) . Le dispositif de détection est composé par la juxtaposition de modules identiques à celui représenté par la vue perspective de la figure 3 qui est composée du photomultiplicateur (lia) couplé optiquement aux quatre pixels scintillateurs (12a, 12b , 12c et 12d)
Le principe de la localisation d'un photon Gamma dans un pixel scintillateur est le suivant : un photon Gamma déclenche un signal électrique créé par la composante rapide et par la composante lente de lumière dans le photomultiplicateur associé au scintillateur ayant détecté le photon
Gamma. La composante rapide, sélectionnée par un discriminateur d'amplitude après amplification, ouvre une fenêtre de coïncidence rapide de 4 nsec. environ pour effectuer la coïncidence temporelle rapide avec un autre photon Gamma détecté par un autre photomultiplicateur en regard du premier par rapport à l'objet à étudier. Cette première opération permet de déterminer les deux photomultiplicateurs concernés par la détection d'un positon. Un signal de fin de coïncidence rapide déclenche l'ouverture d'un circuit de localisation qui effectue l'intégration pendant 400 nsec. environ puis la discrimination d'amplitude des signaux amplifiés issus des photomultiplicateurs adjacents au photomultiplicateur ayant détecté le photon Gamma . La présence ou l'absence de signal issu des photomultiplicateurs adjacents permet de localiser le pixel scintillateur parmi les quatre associés au photomultiplicateur concerné.

La figure 4 est le schéma synoptique de l'électronique d'acquisition .La détection d'un photon Gamma par l'un quelconque des pixels scintillateurs (12a), (12b), (12c) ou (12d) engendre un signal électrique sur le photomultiplicateur (lia) signal formé par la détection des deux composantes lumineuses rapide et lente . La composante lente de ce même photon Gamma crée simultanément un signal électrique sur deux des quatre photomultiplicateurs adjacents au photomultiplicateur (1 la) ,par exemple les photomultiplicateurs (i lb) et (lic) pour un photon Gamma détecté par le pixel scintillateur (12a)
Chaque photomultiplicateur de référence (11) est connecté à un amplificateur rapide de référence (16) ,par exemple le photomultiplicateur (lia) est connecté à l'amplificateur (16a) , le photomultiplicateur (1 lb) à l'amplificateur (l6b) , etc ... La composante rapide, de très courte durée (de l'ordre d'une nanoseconde), engendre une impulsion électrique brève de grande amplitude ; par contre, la composante lente, de durée beaucoup plus longue (plusieurs centaines de nanosecondes), engendre une impulsion électrique de faible amplitude puisque le signal électrique est étalé dans le temps . Le signal électrique fourni par chaque amplificateur (16a, 16b, 16c, ...) est sélectionné en énergie par un discriminateur rapide d'amplitude, l'ensemble de ces discriminateurs étant appelé par la suite par circuit discriminateur (17) . Chaque seuil du circuit discriminateur (17) est réglé pour que seul soit détecté le signal de grande amplitude créé par la composante rapide de l'un quelconque des photomultiplicateurs (11) . Les signaux électriques de sortie (S1) du circuit discriminateur (17) sont connectés à un circuit de coïncidence temporelle rapide (18), l'opération de coïncidence étant effectuée avec le signal homologue (S2) issu de l'un des détecteurs du système de détection (20) opposé au système de détection (19) par rapport à l'objet à étudier. Le circuit discriminateur (17) délivre simultanément au circuit de codage (22) un signal numérique (S7) représentant la localisation du photomultiplicateur de référence (11) ayant détecté le premier photon Gamma . La fenêtre de coïncidence rapide du circuit (18) est réglée à une durée de 4 ou 5 nsec. Dans l'exemple choisi , le signal de sortie (S3) du circuit de coïncidence 18 valide la présence d'un positon par la détection de deux photons Gamma simultanés entre le photomultiplicateur (lia) d'une part, et l'un des photomultiplicateurs du système de détection (20) d'autre part, selon le principe décrit sur la figure 1 .

Le signal de sortie (S3) du circuit de coïncidence rapide (18) est envoyé à un circuit de codage (22) , lequel reçoit aussi le signal numérique (S 8), l'homologue de (S7) , représentant la localisation de l'un des photomultiplicateurs du système de détection (20) ayant détecté le deuxième photon Gamma simultané . Reste alors à déterminer le pixel ayant détecté le photon Gamma parmi les quatre pixels scintillateurs couplés au photomultiplicateur (Ila) . Cette fonction est réalisée par le circuit de localisation (21) dont l'ouverture de la fenêtre d'intégration du signal est commandée par le signal (S4) de fin de coïncidence rapide issu du circuit de coïncidence rapide (18) et dont l'entrée est connectée à chacune des sorties des amplificateurs (16a, 16b, 16c, ...) . Chaque signal électrique issu des amplificateurs (1 6a, 1 6b , i 6c , ...) représentant la composante lente est intégré dans le circuit de localisation (2 i) pendant environ 400 nsec. Chaque signal ainsi intégré est discriminé en amplitude pour déterminer la présence ou l'absence de signal parmi les photomultiplicateurs adjacents au photomultiplicateur (1 la). Dans l'exemple choisi , la présence d'un signal sur les deux photomultiplicateurs (1 lb) et (1 lc) indique que la détection du photon
Gamma a été effectuée par le pixel (12a). La sortie du circuit de localisation (21) fournit un signal numérique (S5) représentant la position du pixel (12a) associé au photomultiplicateur (1 la). Le signal (S5) est envoyé au circuit de codage (22), lequel reçoit aussi le signal (S6) ,homologue du signal (S5), issu d'un pixel du système de détection (20) opposé au système de détection (19) par rapport à l'objet
La localisation du lieu géométrique d'émission d'un positon est donnée par le signal (S12) fourni par le circuit de codage (22), lequel indique la position des deux pixels ayant détecté deux photons Gamma en coïncidence temporelle et sélectionnés en énergie, l'un par le système de détectio photomultiplicateurs (11) du système de détection (19) est fonction de l'architecture du tomographe
Le mode d'acquisition électronique décrit ci-dessus introduit une limitation du taux de comptage . En effet, la constante de temps de la composante lente est de 600 nsec.; à taux de comptage élevé il existe donc une probabilité de localisation erronée par effet d'empilement électronique d'événements indépendants. Pour éviter cet inconvénient, une solution consiste à modifier la méthode de localisation décrite ci-dessus, selon le schéma synoptique partiel de l'électronique d'acquisition de la figure 5. Le principe du procédé consiste à introduire un circuit d'échantillonnage qui effectue la différence entre les signaux intégrés pendant 100 nsec. environ issus des amplificateurs (16a, 16b, 16c...) mesurés à partir du signal numérique de fin de coïncidence rapide d'une part , et les signaux intégrés pendant la même durée précédant le signal numérique de début de coïncidence rapide d'autre part.

Le signal issu de cette différence entre les deux signaux est discriminé en amplitude pour déterminer la présence ou l'absence de signal parmi les photomultiplicateurs adjacents au photomultiplicateur ayant détecté la composante rapide . Pour réaliser cette fonction , les signaux (S9, S10 , 511...) issus du circuit amplificateur (16a, 16b, 16c ...) sont retardés de 100 nsec. par le circuit retardateur (23) . Les signaux retardés (S13, S14 , S15..) et les mêmes signaux non retardés (S16 , S17 , S18 ...) issus du circuit amplificateur (16a, 16b , 16c ...) sont connectés au circuit d'échantillonnage (24) Dans ce circuit (24), lesdits signaux non retardés sont intégrés pendant un temps légèrement inférieur au temps de retard ,par exemple 90 nsec, à partir du signal numérique (S22) de fin de coïncidence rapide; lesdits signaux retardés sont intégrés pendant le même temps à partir du signal numérique (S23) de début de coïncidence rapide; et le circuit d'échantillonnage (24) effectue aussi la différence entre chaque signal intégré non retardé et le signal correspondant intégré et retardé . Les signaux de sortie (519 19, S20 , S21 ...) du circuit d'échantillonnage (24) sont connectés au circuit de sortie (25) qui effectue la discrimination d'amplitude et la numérisation desdits signaux . Les signaux numériques (S5) de sortie du circuit de sortie (25) sont connectés au circuit de codage (22) .

Le seuil en énergie est réglé de préférence à 100 keV environ, afin de détecter la majorité des bons événements ayant interagi par effet Compton dans l'un quelconque des scintillateurs, et accroître ainsi considérablement la sensibilité de détection . Par exemple, dans une réalisation particulière il a été mesuré que le nombre d'événements vrais en coïncidence avec un seuil de 100 keV est 3,25 fois plus grand qu'avec un seuil réglé à 350 keV, et cela sans détérioration du rapport entre le taux d'événements vrais et le taux d'événements total détectés. Ce choix est possible avec le BaF2 car la structure en mosaïque des scintillateurs autorise des taux de comptage beaucoup plus élevés qu'avec un scintillateur NaI de grande surface; en effet, le temps mort de 200 nsec. créé par la détection de chaque photon Gamma concerne uniquement ceux qui ont donné lieu à une coïncidence rapide, c'est à dire moins de 1 % du nombre d'événements détectés . Cette capacité de comptage importante du BaF2 permet ainsi d'obtenir une bonne efficacité de détection par le choix d'un seuil réglé à basse énergie ; cette considération représente une différence majeure entre les deux méthodes BaF2 et Nal.

La figure 6 illustre une autre disposition géométrique des couples photomultiplicateur - scintillateurs permettant d'effectuer le codage en position de 9 pixels scintillateurs par photomultiplicateur.

Les traitements optiques des différentes faces des pixels scintillateurs sont identiques à ceux décrits pour le dispositif de la figure 2. Ainsi , pour le photomultiplicateur (3 la) , seule la composante lente des 8 scintillateurs périphériques (32b , 32c , 32d, 32e ,32f, 2g, 32h, 32i) est transmise aux scintillateurs en regard de ces derniers et couplés aux photomultiplicateurs adjacents
Le décodage de la position est effectué de la manière suivante: - la détection d'un photon Gamma dans le scintillateur (32a) crée un signal électrique sur le photomultiplicateur (31a) uniquement, la composante lente ne donnant aucun signal de coïncidence lente avec les photomultiplicateurs adjacents (31b , 31c et 3 il) .

- la détection d'un photon Gamma dans le scintillateur (32d) crée un signal électrique sur chacun des photomultiplicateurs (31a) et (31b) La détection des composantes rapide et lente est effectuée par le photomultiplicateur (3 la) et celle de la composante lente par le photomultiplicateur (31 lob).

- la détection d'un photon Gamma dans le scintillateur (32c) crée un signal électrique sur chacun des photomultiplicateurs (3 la, 31b et 31c) La détection des composantes rapide et lente est effectuée par le photomultiplicateur (3 la) et celle de la composante lente par les deux photomultiplicateurs (3 lb) et (31c) .

Le décodage de la position pour les autres pixels scintillateurs du photomultiplicateur (3 la) est obtenu par effet de symétrie géométrique.

La sélection en énergie pour les neuf pixels scintillateurs du photomultiplicateur (3 la) est effectuée uniquement sur le signal de la composante rapide . L'expérience a montré que le seuil optimal de discrimination en énergie se situe environ à 100 keV , l'optimum étant défini par la combinaison entre une bonne efficacité de détection et un bon rapport entre le nombre d'événements vrais et le nombre total d'événements détectés . La figure 5 montre que le couplage optique est moins bon pour les pixels périphériques que pour le pixel central puisque la photocathode du photomultiplicateur (3 la) n'est que partiellement recouverte par les pixels périphériques . Afin d'avoir une sensibilité sensiblement homogène entre les pixels, une première solution consiste à choisir des photomultiplicateurs à section carrée . Une seconde solution consiste à adapter l'électronique d'acquisition pour permettre de réaliser l'équivalent de 3 seuils par photomultiplicateur : un premier seuil à 100 KeV pour le pixel du centre(32a) qui reçoit le signal maximum; un second seuil légèrement plus bas pour les pixels périphériques des deux médianes (32b, 32d, 32f et 32h); et un troisième seuil encore plus bas pour les pixels des deux diagonales (32c , 32e, 32g et 32i) . Cette fonction est réalisée par le codage de la composante rapide, la pondération du seuil étant effectuée à partir de l'information de localisation fournie par la composante lente.

Pour des raisons de simplification technologique , chaque scintillateur peut ne pas être complètement disjoint de ses voisins pour un même groupe de pixels scintillateurs associés à un même photomultiplicateur . Dans les exemples des figures 2 et 5 ,il peut être avantageux d'utiliser un seul bloc de
BaF2 par photomultiplicateur, et de constituer les pixels de la mosaïque par des sciages partiels du bloc, l'espace de découpe étant ensuite rempli d'un milieu diffuseur. La vue perspective de la figure 3 illustre cette disposition technologique.

Dans une réalisation particulière, le photomultiplicateur utilisé a un diamètre de 25 mm et le bloc de BaF2 a les dimensions suivantes : la surface couplée au photomultiplicateur est de 25 x 25 mm2, l'épaisseur est de 30 mm . Le sciage est effectué sur une profondeur de 26 mm avec une largeur de trait de découpe d'un millimètre . Les sillons de découpe sont remplis de poudre d'alumine compactée maintenue dans les sillons par un joint polymérisable disposé sur la périphérie, l'objectif de cette disposition étant de réaliser un milieu diffuseur. Dans une seconde réalisation , une simple feuille de téflon est glissée dans les sillons . Dans une troisième réalisation, les traits de découpe sont plus larges et les sillons renferment sur une partie de leur profondeur une feuille de tungstène de 1 mm pour assurer un blindage pour le rayonnement Gamma diffusé entre les pixels scintillateurs par l'effet Compton décrit ci-dessus . Les faces latérales externes du bloc sont polies et couplées optiquement à un verre clair d'épaisseur 1 mm dont le rôle est de bloquer la transmission de la composante rapide . Dans une autre réalisation, le blocage de la composante rapide est réalisé uniquement par l'interface de couplage optique entre les blocs , qui est une graisse silicone opaque à la composante rapide Uv.

Dans l'exemple de réalisation de la figure 6, il apparaît que seuls les photomultiplicateurs entourés de voisins sur leurs quatre faces offrent une possibilité de décodage pour 9 pixels scintillateurs . Les photomultiplicateurs de bord de champ tels que (3 il, 31 e et 31 f ) ne permettent le décodage que de 6 pixels scintillateurs, le décodage étant effectué selon le même principe que celui décrit ci-dessus
Dans le but d'augmenter le nombre de pixels par photomultiplicateur, il est possible de combiner la méthode de filtrage optique selon l'invention avec la méthode classique du barycentre . Par exemple , dans le dispositif de la figure 6, il est possible d'ajouter une rangée supplémentaire de pixels BaF2 couplés aux photomultiplicateurs (31 id, 3 le, 31 f) et conditionnés optiquement pour permettre la mesure du barycentre de la tâche lumineuse, l'objectif étant de couvrir toute la surface desdits photomultiplicateurs et accroître ainsi la sensibilité de détection.

L'homme de l'art peut imaginer d'autres arrangements de pixels scintillateurs et de photomultiplicateurs mettant en oeuvre la méthode de filtrage optique selon l'invention, ou utiliser un matériau scintillateur autre que le BaF2 présentant la propriété d'une émission de lumière à deux longueurs d'onde différentes.

Ainsi, la méthode de filtrage optique avec BaF2 présente des avantages importants par rapport à la solution Nal:
L'efficacité de détection en coïncidence du BaF2 avec un seuil en énergie de 100 KeV est bien supérieure à celle du NaI avec un seuil de 350 KeV, ce choix du seuil pour le NaI étant destiné à limiter le taux de comptage global comme il a été décrit ci-dessus . Ce gain en efficacité de détection se traduit par une meilleure sensibilité, et l'on sait que la sensibilité est une caractéristique essentielle de ce type de machine . Pour l'application médicale envisagée, l'augmentation de sensibilité peut être mise à profit, soit pour réduire le temps d'examen, soit pour obtenir une meilleure qualité d'image diagnostique.

Ce gain en efficacité de détection est dû à plusieurs facteurs - D'une part, le pouvoir d'arrêt intrinsèque du BaF2 est supérieur à celui du
NaI, respectivement 0,44 et 0,33 pour le coefficient d'atténuation linéaire à 511 keV.

- D'autre part, à résolution spatiale donnée, l'épaisseur de scintillateur BaF2 peut être choisie plus grande que celle du NaI ( respectivement 30 à 35 mm au lieu de 25 mm) . En effet, la structure modulaire du BaF2 permet de concevoir un dispositif en anneau complet ou portion d'anneau, ce qui réduit les effets de parallaxe par rapport à ceux créés dans un grand scintillateur plan de NaI .

- Enfin, , et c'est le point essentiel , le choix d'un seuil en énergie beaucoup plus bas avec le BaF2 accroît considérablement la sensibilité du dispositif. Cette seule différence sur le choix du seuil se traduit par un gain de sensibilité en coïncidences d'un facteur 3,5 à 4.

La capacité en taux de comptage d'un dispositif BaF2 est bien supérieure à celle d'un dispositif Nal . A cela, il y a plusieurs raisons - D'une part, la détection et la localisation d'un événement avec le BaF2 ne concerne qu'un très petit nombre de photomultiplicateurs; alors qu'avec le
NaI, chaque événement concerne un grand nombre de photomultiplicateurs pour effectuer la mesure du barycentre de la tâche lumineuse . Avec le BaF2 l'homme de l'art peut d'ailleurs imaginer des filtrages optiques plus complexes pour réduire encore le nombre de photomultiplicateurs impliqués par chaque événement.

- D'autre part, les effets d'empilements dus à la diffusion de la lumière dans le scintillateur sont beaucoup plus importants pour un grand scintillateur monobloc comme le NaI que pour des modules juxtaposés de BaF2 . Avec le BaF2 , la propagation de la lumière est confinée au sein de 3 pixels scintillateurs - Enfin, le temps mort électronique de 200 nsec. environ concerne uniquement les événements ayant donné lieu à une coïncidence temporelle rapide.

Le taux de coïncidences fortuites pour le BaF2 est environ deux à trois fois plus faible que pour le NaI Cette évaluation vaut pour les applications médicales envisagées, la dimension transversale de l'objet ne dépassant pas 40 cm environ . Cela est dû à la très grande rapidité de réponse temporelle du
BaF2 comparée à celle du NaI . Avec le BaF2 la fenêtre de coïncidence est réglée à 4 ou 5 nsec. alors qu'avec le NaI, elle est réglée à environ 10 nsec.

Cette caractéristique se traduit par un meilleur contraste d'image
La structure modulaire du BaF2 offre une très grande liberté pour le choix de l'architecture du tomographe . Cela permet d'atteindre une bonne adéquation entre la conception du système de détection et les performances visées . Par exemple - la résolution spatiale est directement fonction des dimensions des photomultiplicateurs choisis.

- la sensibilité est directement liée au nombre de modules de détection.

- la machine peut être constituée: soit d'anneaux complets, soit de secteurs d'anneaux.

L'étude de l'optimisation du couple performances / prix montre qu'il peut être avantageux: - d'utiliser un échantillonnage spatial dans les deux directions transverse et axiale à l'aide de deux mouvements mécaniques du système de détection, cela avec l'objectif d'accroître la résolution spatiale. Ce procédé est connu de l'homme de l'art.

- d'augmenter la sensibilité du système en choisissant une architecture en secteur d'anneau plutôt qu'en anneau complet, l'ensemble du système de détection étant animé d'un mouvement de rotation. Ce procédé est connu de l'homme de l'art; il a été montré que , à nombre de détecteurs donné, l'architecture sectorielle offre une meilleure sensibilité que la géométrie en anneau complet.

Le BaF2 présente une excellente résolution temporelle qui permet d'effectuer la mesure du temps de vol moyennant l'utilisation d'une électronique d'acquisition appropriée . I1 est connu que cette option technologique permet d'accroître la sensibilité des tomographes.

Claims (10)

1. photons Gamma parmi les scintillateurs associés à chaque photomultiplicateur.

   détecté la composante rapide , afin de déterminer la position des deux

   photomultiplicateurs de chaque système de détection (19, 20) ayant

   scintillateurs des photomultiplicateurs adjacents à chacun des deux

   - la deuxième composante à réponse temporelle lente est transmise aux

   en énergie des photons Gamma correspondants,

   regard du deuxième système de détection (20), et à effectuer la sélection

   du premier système de détection (19) et un des photomultiplicateurs en

   photons Gamma simultanés, entre un photomultiplicateur prédéterminé

   présence d'un positon , suite à la détection du premier et du deuxième

   - la première composante à réponse temporelle rapide sert à valider la

   composante à réponse temporelle lente,

   première composante à réponse temporelle rapide, et une deuxième

   deux composantes de longueurs d'onde différentes , et comprenant une

   réponse à la détection d'un photon Gamma, une émission de lumière à

   - on utilise pour chaque scintillateur un matériau apte à délivrer, en

   caractérisé en ce que

   simultanée de deux photons Gamma dans deux directions opposées,

   l'objet à étudier, chaque désintégration d'un positon provoquant l'émission

   l'autre détecteur (D2), suite à l'annihilation d'un positon par un électron de

   entre l'instant de détection d'un premier photon Gamma par l'un des détecteurs (D1) et l'instant de détection d'un deuxième photon Gamma par

   32b, 32c ...) pour définir une première fenêtre de coïncidence temporelle

   31c ... ) associé à une pluralité de scintillateurs ( 12a, 12b 12c ..., ; 32a

   comportant au moins un photomultiplicateur (lia, 1 lob, lic ...; la, , lob,

   en regard l'un de l'autre avec interposition dudit objet, chaque détecteur

   (6) à étudier, comprenant chacun une paire de détecteurs (D1 , D2) agencés

   moyen d'une pluralité de modules de mesure (MM) disposés autour de l'objet

   REVENDICATIONS 1. Procédé de localisation et de sélection en énergie de photons Gamma au
2. 2. Procédé de localisation et de sélection en énergie selon la revendication 1,

   caractérisé en ce que la détermination de la position des deux

   photomultiplicateurs est obtenue au moyen d'une première fenêtre de

   coïncidence rapide (18) et que la détermination de la position des deux

   photons Gamma sur chaque photomultiplicateur est obtenue au moyen d'une

   deuxième fenêtre temporelle (21) activée par un signal de fin de coïncidence

   rapide (S4) pour indiquer, après intégration, la présence ou de l'absence de

   signal parmi les photomultiplicateurs adjacents.
3. 3. Procédé de localisation et de sélection en énergie selon la revendication 2

   caractérisé en ce que la deuxième fenêtre temporelle (21) fournit un signal de

   codage numérique (S5) représentatif du lieu géométrique d'émission des

   premier et deuxième photons Gamma.
4. 4. Dispositif de mesure de la distribution spatiale d'un traceur émetteur de

   positons, mettant en oeuvre le procédé précité pour la fabrication de

   tomographes à positons selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce

   que chaque détecteur (D1, D2) comporte un premier filtre optique composé

   d'une fenêtre de quartz (26) sur chaque photomultiplicateur (11) , ladite

   fenêtre étant transparente à la fois à la première composante à réponse

   temporelle rapide ultra violette , et à la deuxième composante à réponse

   temporelle lente de la lumière émise par la pluralité des scintillateurs (12)

   associés à chaque photomultiplicateur (11) .
5. 5. Dispositif de mesure de la distribution spatiale d'un traceur émetteur de

   positons selon la revendication 4 , caractérisé en ce que les scintillateurs ( 12a

   12b, 12c, 12d; 32b, 32c, 32d, 32e , 32f, 32g, 32h, 32i ) de chaque

   photomultiplicateur (11) comportent, sur leurs faces latérales périphériques,

   un deuxième filtre optique (14a, 14b, 14c, 14d , apte à transmettre

   exclusivement la deuxième composante à réponse temporelle lente de lumière

   aux scintillateurs des photomultiplicateurs adjacents.
6. 6. Dispositif de mesure de la distribution spatiale d'un traceur émetteur de

   positons selon la revendication 4 ou 5 , caractérisé en ce que les faces

   latérales non périphériques ( 13a, 13b, 13c, 13d) des scintillateurs ( 12a,

   12b , 12c , 12d) associés à chaque photomultiplicateur (11) , ainsi que les

   faces desdits scintillateurs du côté opposé à celui couplé à chaque

   photomultiplicateur (11), comportent un diffuseur de lumière opaque à la

   transmission de lumière entre lesdits scintillateurs.
7. 7. Dispositif de mesure de la distribution spatiale d'un traceur émetteur de

   positons selon l'une des revendications 4 à 6 , caractérisé en ce que le

   matériau utilisé pour réaliser les scintillateurs est préférentiellement du

   fluorure de barium (BaF2).
8. 8. Dispositif de mesure de la distribution spatiale d'un traceur émetteur de

   positons selon les revendications 4 à 7 , caractérisé en ce que: - chaque photomultiplicateur (lia, llb , lu ...; 3 la, 3 , 31c ..)

   associé à une pluralité de scintillateurs ( 12a, 12b, 12c ...; 32a,

   32b, 32c ..) est connecté à un circuit amplificateur ( 16a, 16b

   16c...) délivrant un signal représentatif de la première composante à

   réponse rapide et de la deuxième composante à réponse temporelle

   lente,

   - un circuit discriminateur (17) à seuil est connecté à la sortie de

   chaque circuit amplificateur ( 16a , 16b , 16c ...) pour détecter , après

   dépassement d'un seuil prédéterminé la première composante rapide

   dudit signal de l'un quelconque des photomultiplicateurs ( , 31),

   - un circuit de coïncidence temporelle rapide (18) reçoit le signal de

   sortie (S1) du circuit discriminateur (17) du système de détection (19)

   , et le signal de sortie (S2) homologue de (S1) , issu du système de

   détection (20) opposé

   - un circuit de localisation (21) reçoit les signaux de sortie (S9 , S10

   Sil ...) du circuit amplificateur ( 16a , 16b 16c ...) , en étant activé

   par un signal de fin de coïncidence rapide S4 issu du circuit de

   coïncidence (18)

   - et un circuit de codage (22) délivre un signal numérique (S12)

   représentatif du lieu géométrique d'émission d'un positon.
9. 9. Dispositif de mesure de la distribution spatiale d'un traceur émetteur de

   positons selon la revendication 8 caractérisé en ce que le circuit de codage

   (22) est connecté à la sortie du circuit de localisation (21) de chaque système de détection (19, , 20 ) , et reçoit un signal ( S3) de coïncidence rapide issu

   du circuit de coïncidence rapide (18) pour valider la présence du positon.
10. 10. Dispositif de mesure de la distribution spatiale d'un traceur émetteur de

    positons selon la revendication 8 caractérisé en ce que le circuit de

    localisation (21) comporte:

    - un circuit retardateur (23) qui retarde les signaux de sortie (S9 , S10

    S11...) fournis par le circuit amplificateur (1 6a , 16b, 16c ...)

    - un circuit d'échantillonnage (24) qui reçoit les signaux retardés (S13 ,

    S14 , 515 ...) issus du circuit retardateur (23) , et les signaux non retardés (S16 , Sl7 , S18 ...) du circuit amplificateur ( 16a , 16b

    - et un circuit de sortie (25) recevant les signaux ( S19 , S20, S21 ...)

    représentatifs de la localisation d'un scintillateur.