FR2930043A1 - Barreau detecteur de photons gamma - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un barreau détecteur de photons gamna (1) constitué d'une juxtaposition de tronçons (6) prismatiques d'un même monocristal.Il se caractérise en ce qu'ils sont séparés deux à deux par une couche (7) à faces (8, 9), parallèles d'un milieu intermédiaire, isotrope, de nature différente de celle du monocristal, et d'indice de réfraction différent du sien.L'invention concerne un dispositif de tomographie comprenant de tels barreaux (1) .L' invention concerne un procédé de pondération optique, où on transforme un milieu cristallin (1) en une juxtaposition de tronçons, entre lesquels deux à deux on crée les conditions d'une déperdition d'énergie discrète, d'ampleur connue, ou mesurable par étalonnage, et où on compare l'énergie (E1 ; E2 ), recueillie au niveau de photodétecteurs (4 ; 5), montés aux extrémités longitudinales (2 ; 3), du milieu cristallin (1) pour estimer la position (X) de l'impact d'un photon gamma dans un tronçon donné du milieu (1).

Description

L'invention concerne un barreau détecteur de photons gamma constitué d'une juxtaposition de tronçons prismatiques d'un même monocristal. L'invention concerne le domaine de l'imagerie fonctionnelle radio-isotopique et, plus particulièrement, l'imagerie biphotonique appelée tomographie par émission de positons ou TEP. Le barreau selon l'invention est plus particulièrement destiné à équiper un module de détection et de localisation d'un traceur radioactif. L'imagerie nucléaire, dans son principe, consiste à administrer un traceur contenant des molécules marquées par un isotope radioactif afin de suivre par détection externe, le fonctionnement normal ou pathologique d'un organe donné. Dans le cadre de la tomographie par émission de positons (TEP), le traceur est injecté à un patient par voie intraveineuse et va se fixer sur les cellules concernées pour émettre des positons. Une fois émis, le positon parcourt quelques millimètres dans les tissus et perd son énergie cinétique. Dans cette position de repos, le positon interagit avec un électron du milieu, suivant une réaction d'annihilation au cours de laquelle les masses de ces deux particules se transforment en deux photons gamma ou photons d'annihilation dotés d'un niveau d'énergie défini. Ces photons sont émis simultanément, colinéai rnt et suivant des directions opposées. Ces caractéristiques sont exploitées pour localiser la direction d'émission des photons d'annihilation sans avoir recours à un collimateur. Cette direction d'émission est appelée ligne de réponse, dite IAR, en anglais line of response . Cette LCLR contient la position de la source de positons. Les images obtenues en tomographie par émission de positons, dite TEP, résultent d'un processus de reconstruction tomographique qui, à partir de l'ensemble des lignes de réponse acquises par le système, estime la distribution tridimensionnelle du radio traceur dans l'organe à étudier.

La détection des photons gamma est assurée par des barrettes judicieusement disposées, composés chacune d' au moins un barreau détecteur relié à un dispositif électronique assurant le processus de traitement et de reconstruction tamographique aboutissant à l'image recherchée. Le barreau détecteur est constitué d'un cristal scintillateur qui convertit l'énergie photonique en une émission isotrope de photons lumineux susceptibles d'être détectés par au moins un photodétecteur situé à proximité du cristal et qui est conçu apte à mesurer l'énergie reçue. Dans les appareils actuellement utilisés, les images obtenues en TEP présentent une résolution spatiale de l'ordre du centimètre pour les appareils dont on peut introduire le corps entier d'un patient, résolution qui est médiocre si on la compare avec celle d'autres techniques d'imagerie ceam e 1' IRM ou la tomodensiteanétrie qui ont des résolutions de l'ordre du millimètre. Cette résolution médiocre est due au fait que le positionnement de la ligne de réponse est entaché d'une erreur ayant plusieurs causes inhérentes, soit au principe utilisé, soit aux limites du système de détection. En fait, la contribution majeure à l'erreur est la résolution intrinsèque du détecteur qui est relativement faible. Un des problèTes majeurs contribuant à dégrader la résolution spatiale est donc la difficulté de déterminer la profondeur d'interaction, dénommée DOI, depth of interaction en anglais, du photon gamma dans le cristal scintillateur. Une dégradation de la réponse spatiale est observée au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre du champ de détection de l'appareil. Différentes voies ont été explorées pour améliorer la précision sur la DOI du photon gamma dans le cristal, notamment l'approche phoswich, abréviation de phosphor sandwich . Cette méthode phoswich est basée sur la lecture, par un seul photodétecteur, d'un empilement de cristaux ayant des propriétés de scintillation différentes. La plupart du temps, des cristaux ayant des constantes de temps différentes sont utilisés. Chaque région d'interaction produit des impulsions ayant une forme qui lui est caractéristique. Par conséquent, l'analyse de la forme des impulsions permet d'identifier la région d'interaction de chaque événement. On connaît la réalisation de détecteurs composés de matrices à cristaux scintillateurs couplés à des photodétecteurs. Ces matrices sont constituées de cristaux de faibles dimensions, isolés optiquerent les uns des autres par un matériau réflecteur tel que le téflon. On parle dans ce cas de cristal pixellisé ou serai-pixellisé si le cristal comporte une partie supérieure pleine et une partie inférieure pixellisée. Cependant, la pixellisation a pour conséquence de diminuer la sensibilité de détection et de détériorer la résolution énergétique à cause de la perte de lumière liée aux multiples réflexions dans le pixel.

Une autre méthode consiste à utiliser deux couches de cristaux légèrement décalées l'une part rapport à l'autre, d'une distance égale à la moitié du pas du pixel du cristal. En effet, la scintillation produite dans la couche supérieure n'éclaire qu'un seul pixel du photodétecteur. En revanche, celle d'un cristal situé sur la couche inférieure en éclaire deux. Un algorithme de décodage permet de distinguer les deux positions, et donc de mesurer la DOI. Avec ces différentes méthodes, la résolution sur la mesure de la DOI reste limitée par l'épaisseur des cristaux d'une part, et d'autre part par 10 une certaine complexité dans le traitement de l'information. Il existe encore une méthode, dite de partage de la lumière, qui permet d'améliorer la résolution spatiale d'un appareil de TEP. Cette méthode consiste à installer à chacune des deux extrémités d'un barreau de cristal scintillateur, un photodétecteur apte à mesurer la quantité de 15 lumière reçue lors de l'interaction du photon gamma dans ledit cristal. L'exploitation mathématique des valeurs mesurées par chacun des deux photodétecteurs permet d'estimer le positionnement longitudinal de l'interaction du photon gamma dans le cristal. L'invention a pour but d'améliorer la performance de cette méthode de 20 partage de la lumière en proposant l'utilisation d'un barreau constitué d'au moins un cristal scintillant, agencé de façon particulière. A cet effet l'invention concerne un barreau détecteur de photons gamma constitué d'une juxtaposition de tronçons prismatiques d'un même monocristal, caractérisé par le fait que lesdits tronçons sont séparés deux 25 à deux par une couche à faces parallèles d'un milieu intermédiaire, isotrope, de nature différente de celle du cristal, et d'indice de réfraction différent de celui dudit cristal. Selon une caractéristique de l'invention, l'indice de réfraction dudit milieu intermédiaire est inférieur à celui dudit cristal. 30 Selon une caractéristique de l'invention, le barreau détecteur est constitué de la juxtaposition de plusieurs prismes élémentaires. L'invention concerne encore un dispositif de tomographie par émission de positons comportant au moins un tel barreau. L'invention concerne encore un procédé de pondération optique. 35 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre des modes de réalisation non limitatifs de l'invention, en référence aux figures annexées dans lesquelles: - la figure 1 représente, de façon schématique et en perspective, un barreau détecteur selon un premier ride de réalisation de l'invention, 5 équipé de photodétecteurs à ses extrémités; - la figure 2 représente, de façon analogue à la figure 1, un barreau détecteur selon un autre ride de réalisation de l'invention ; - la figure 3 représente, en élévation, le barreau de la figure 1 ; - la figure 4 représente, en élévation, le barreau de la figure 2 ; 10 - la figure 5 représente, en élévation, un barreau selon encore un autre ride de réalisation ; - la figure 6 représente, en élévation, un barreau dans lequel impacte un photon gamma. L'invention concerne un barreau 1 détecteur de photons gamma. 15 Ce barreau 1 est conçu apte à être intégré dans un dispositif de tomographie, qui comporte usuellement des barrettes détectrices disposées sous forme d'au moins un anneau détecteur, à l'intérieur duquel est placé un corps ou un organe à examiner. Un même dispositif peut comporter un ou plusieurs anneaux détecteurs juxtaposés, notamment axialement. 20 Un corps à examiner, notamment in vivo, est disposé à l'intérieur de ce ou ces anneaux détecteurs. Le praticien utilisateur du dispositif de tomographie cherche à diagnostiquer le fonctionnement normal ou pathologique d'un organe donné. Pour ce faire, une molécule marquée par un émetteur de positons est administrée au patient. L'annihilation de chaque 25 positon émis avec un électron du milieu donne naissance à deux photons gamma ayant des énergies de 511keV chacun et émis simultanément selon la même direction et dans deux sens opposés. La détection de ces paires de photons gamma est effectuée grâce un ensemble de barrettes détectrices disposées sous fore d'anneau détecteur, 30 selon le cas axialement, radialerent ou tangentiellement. La IAR joint les positions d'interaction des deux photons gamma et contient la position de la source émettrice de positons. L'intersection de l'ensemble des LOR détectées permet de déterminer la position de cette source. L'anneau est de préférence de section cylindrique, ou polygonale se 35 rapprochant d'une section cylindrique, de longueur courte par rapport à la plus grande dimension de sa section. Les barrettes détectrices périphériques sont utilisées pour déterminer l'emplacement des points d'impact de photons gamma en périphérie de l'appareil. Les barrettes détectrices de l'anneau détecteur comportent chacune un ou plusieurs barreaux détecteurs 1. De façon avantageuse, chacun de ces barreaux détecteurs 1 est un monocristal scintillateur, notamment de forme parallélépipédique. Le cristal transforme les photons gamma en photons lumineux. A l'extrémité de chaque barreau détecteur sont couplés un ou plusieurs photodétecteurs permettant la mesure de l'énergie lumineuse recueillie au niveau de leur surface en regard du cristal. Ces photodétecteurs sont reliés à des moyens de traitement du signal, se présentant notamment sous forme de cartes électroniques. De façon préférée, chaque barrette détectrice est constituée d'une matrice de barreaux détecteurs, constitués à leur tour d'un barreau de cristal scintillateur couplé aux deux extrémités à des photodétecteurs état solide fonctionnant en mode Geiger. Pour obtenir une mesure parfaitement exploitable, il est nécessaire de déterminer la DOI avec une précision suffisante. En réduisant la taille des barreaux de cristal scintillateur, par exemple à 3 mn x 3 mm x 3 mn, on améliore la résolution spatiale des images obtenues. Toutefois, la réduction de la taille des cristaux élémentaires augmente, en raison inverse du volume de ces cristaux élémentaires, le nombre de détecteurs élémentaires nécessaires, ce qui accroît la complexité et le coût de l' appareillage . De plus, l'encombrement des photodétecteurs ne permet pas de les implanter n'importe où dans l'espace.

Afin de limiter cette complexité et ce coût tout en conservant une très bonne résolution spatiale, il est proposé, selon l'invention, de remplacer plusieurs cristaux élémentaires par un barreau détecteur 1 de monocristal scintillateur, notamment de forme prismatique et en particulier parallélépipédique, par exemple de dimensions 3 mn x 3 mn x 100 mn, de façon à limiter le nombre de photodétecteurs nécessaires. La mesure de la position précise de la scintillation produite par l'interaction du photon gamma, selon l'axe longitudinal du barreau de cristal scintillateur, permet de conserver une résolution spatiale optimale.

Chaque barreau détecteur 1 est muni à chaque extrémité longitudinale 2, 3, d'au moins un moyen de mesure de flux lumineux, notamment un photodétecteur, 4, 5, apte à mesurer l'énergie lumineuse E1, respectivement E2, reçue à l'extrémité 2, respectivement 3. La position X en abscisse, selon la longueur du barreau 1 scintillateur et le sens de l'extrémité 2 vers l'extrémité 3, par rapport au point milieu du barreau 1 pris comme zéro, de l'impact du photon gamma, est donnée par la formule : X=k. (E2-El) / (E1+E2) . Si cette formule s'applique dans tous les cas de figure, l'examen de l'art antérieur montre que l'incertitude sur cette position X, par exemple dans le cas de barreaux détecteurs monocristallins à faces polies, ou encore à faces diffusantes, est particulièrement médiocre. De fait cette incertitude absolue est alors trop grande, de l'ordre de 10 mn, alors qu'il est nécessaire d'obtenir une précision de 2 à 3 mn, voire moins. L'invention propose une solution permettant de réduire la plage d'incertitude longitudinale de la zone d'impact sur le barreau de cristal.

De préférence, l'anneau détecteur doit être agencé de telle façon qu'un photon gamma, venant vers sa périphérie, y arrive au sein d'une matière continue, afin d'éviter toute déperdition, et donc, toute imprécision et perte de sensibilité. De ce fait, la juxtaposition de matrices détectrices ou de barreaux détecteurs 1 doit permettre de constituer un volume continu. A cet effet, un barreau détecteur 1 est de préférence prismatique, de section polygonale. Si une section rectangulaire ou carrée est préférée, il est aussi envisageable d'utiliser des barreaux 1 à section triangulaire, éventuellement montés en alternance avec d'autres barreaux à section triangulaire, ou avec des barreaux à section hexagonale.

Afin d'économiser le nombre de photodétecteurs, il importe de pouvoir mesurer la quantité de lumière, issue d'une scintillation, aux deux extrémités d' un barreau. A cet effet, selon l'invention, le trajet de la lumière dans le sens de la plus grande dimension du barreau 1 est perturbé par des couches de milieux différents les uns des autres, mais tous isotropes, transparents à la lumière dans toutes les directions, certains de ces milieux étant d'indice de réfraction différents entre eux. On forme ainsi un certain nombre de dioptres intercalés sur le chemin des photons lumineux. Ils sont agencés de façon à ce que le passage de chaque dioptre se traduise par une perte d'énergie lumineuse. De façon préférée, le barreau détecteur 1 est constitué d'une juxtaposition de tronçons 6 prismatiques d'un même monocristal, séparés deux à deux par une couche 7 à faces 8, 9, parallèles d'un milieu intermédiaire, isotrope, de nature différente de celle du cristal, et d'indice de réfraction différent de celui dudit cristal. De façon préférée l'indice de réfraction dudit milieu intermédiaire est inférieur à celui dudit cristal. Selon l'invention, le barreau détecteur 1 peut être monobloc, ou bien constitué de la juxtaposition de plusieurs prismes 10 élémentaires. Le milieu intermédiaire constituant la couche 7 peut être de différentes natures, notamment, parmi les applications préférées : air, graisse ou colle optique, verre, cristal, matière plastique, fibre. Le monocristal peut être de différents types, selon la largeur du spectre lié à l'émission de lumière selon cette longueur d'onde déterminée, lors de l'interaction d'un photon gamma avec le cristal. On connaît différents types de produits de scintillation, de façon préférée on choisit un monocristal de type LYSO . On comprend que la lumière émise lors de l'interaction d'un photon gamma avec un milieu cristallin tel que celui de l'invention, et circulant dans ce milieu de façon perturbée par des changements de milieu, perd de l'énergie à chaque passage de dioptre constitué par un changement de milieu entre un tronçon 6 et une couche 7, ou inversement. En particulier, une partie de l'énergie lumineuse peut sortir du barreau détecteur lors d'un changement d'indice de réfraction. L'exemple de la figure 1 illustre une couche 7 formée d'air, réalisée sous forme d'une encoche 11 dans le barreau 1. L'exemple de la figure 2 est celui de tronçons 6, 7 de nature différentes, juxtaposés sur le trajet de la lumière. Le but de l'invention est d'amener, à chaque extrémité 2, 3, du barreau 1, une quantité d'énergie lumineuse, qui puisse être mieux corrélée avec l'emplacement de l'impact d'un photon gamma, selon son abscisse x par rapport à la longueur du barreau 1. La conception du barreau selon l'invention, basée sur une déperdition d'énergie à chaque passage de dioptre, permet d'obtenir une loi reproductible, correspondant à une courbe permettant d'établir avec une précision élevée, la position x en fonction du ratio entre les énergies lumineuses recueillies aux extrémités 2 et 3 du barreau 1.

En effet, le passage de l'un à l'autre des différents cantons délimités par les différentes faces 8 et 9, ou par les couches intermédiaires 7, se traduit par une déperdition d'énergie lumineuse d'ampleur assez régulière.

Selon l'invention, on crée donc un procédé de pondération optique, par lequel on transforme un milieu cristallin isotrope 1, notamment un barreau détecteur, en une juxtaposition de tronçons, ou cantons, entre lesquels deux à deux on crée les conditions d'une déperdition d'énergie discrète, d'ampleur connue, ou mesurable par étalonnage.

Il est ainsi possible, en comparant l'énergie recueillie au niveau de moyens de mesure de flux lumineux 4, 5, notamment des photodétecteurs, montés aux extrémités longitudinales 2, 3, du milieu cristallin isotrope 1, d'estimer la position X de l'impact du photon gamma dans un tronçon donné, notamment prismatique, du milieu cristallin isotrope 1.

En effet, pour le calcul de cette position X, le calcul de la différence (E2 - El) prend des valeurs discrètes, si l'on admet que la totalité de l'énergie du photon gamma, soit 511 keV, est transformée en énergie lumineuse lors de la diffusion dans le cristal. On sait de l'état de la technique que le total de (E1+ E2) n'est pas constant, dans le cas de barreaux complètement isotropes, sans altération d'aucune sorte, et que cette variation est de l'ordre de +-4%. Cette altération n'est pas suffisante pour altérer sensiblement le calcul de la position X. Il importe de ne pas trop atténuer la lumière dans les différents dioptres, car il faut pouvoir disposer, à chaque extrémité 2, 3, du barreau détecteur, de suffisamment d' énergie El, E2, pour en effectuer une mesure fiable. On sait en effet, qu'un photodétecteur peut mesurer de l'énergie à partir d'un seuil de l'ordre de 21 keV. On comprend que la séparation des tronçons prismatiques peut n' être pas totale. Ainsi, un barreau monobloc comportant, tel que visible sur les figures 1 et 3, des encoches il à faces parallèles peut-il avantageusement être mis en oeuvre dans le cadre de l'invention. On comprend facilement que, au travers de telles fentes, une partie de l'énergie lumineuse de certains rayons puisse sortir du cristal, sous l'effet de la diffraction, surtout si l'encoche est trop large. La mise en oeuvre de l'invention requiert une expérimentation de recherche d'optimum entre la largeur adéquate de la couche intermédiaire 7, ici de l'encoche 11 dans cet exemple préféré, d'une part, correspondant à une déperdition d'énergie suffisamment importante pour permettre une différentiation réelle des différents niveaux d'énergie, et d'autre part suffisamment faible pour qu'une quantité d'énergie mesurable parvienne aux deux extrémités 2 et 3. Cette expérimentation de recherche d'optinaun s'accompagne d'un traitement statistique par la méthode de simulation de Monte Carlo connue en optique. Les éléments relatifs à ce traitement statistique sont accessibles dans la thèse de doctorat n°1181 de Najia TAMDA à l'Université de Franche-Comté, Besançon, France, en date du 18.12.2006. La distribution, selon la longueur du barreau, de l'incertitude relative LX/X sur la position X, peut ainsi être déterminée par corrélation. On comprend qu'il est nécessaire de procéder à un étalonnage pour chaque type de barreau. L'estimateur classique de l'incertitude absolue de plage de position est la Ili, ou largeur à mi-hauteur, du spectre de distribution. Selon les résultats expérimentaux, cette IIH peut être inférieure à 6mm pour des cristaux de 3x3x100 ou de 3x3x120 mm. Cette valeur correspond à une plage de +-3mm par rapport à la valeur médiane. Aussi le choix de tronçons 6 de largeur faible, notamment 3mm, permet-il une détermination avec une très bonne probabilité de présence, du tronçon 6 au niveau duquel s'est produit l'impact du photon gamma. Mais cette séparation peut aussi être complète, auquel cas le barreau 9 est, tel que visible sur les figures 2 et 4, reconstitué par juxtaposition des tronçons prismatiques 10, séparés par des milieux intermédiaires 7. D'autres agencements sont possibles, par exemple avec des dioptres positionnés obliquement, par exemple à 45° tel que visible sur la figure 5, sans s'écarter de la présente invention. Le recours à une courbe d'étalonnage permet une estimation suffisamment précise de la position et de la précision de position du point d'impact du photon gamma. De ce fait, la DOI peut être calculée avec une bonne précision, et la IAR située dans des tolérances acceptables. Il est ainsi possible de 35 réaliser un positionnement dans l'espace extrêmement précis. Les barreaux détecteurs 1 selon l'invention procurent de nombreux avantages: réduction du coût et du nombre de photodétecteurs, fiabilité améliorée, simplification des circuits électroniques. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples illustrés et décrits précédemment qui peuvent présenter des variantes et modifications 5 sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de pondération optique, par lequel on transforme un milieu cristallin isotrope en une juxtaposition de tronçons, entre lesquels deux à deux on crée les conditions d'une ckperdition d'énergie discrète, d'ampleur connue, ou mesurable par étalonnage, et par lequel on carpare l'énergie (El ; E2), recueillie au niveau de mayens de mesure de flux lumineux, (4 ; 5), notaantent des photodétecteurs, montés aux extrémités longitudinales (2 ; 3), dudit milieu cristallin pour estimer la position (X) de l'impact d'un photon gamma dans un tronçon donné dudit milieu cristallin.
2. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait qu' on effectue une expérimentation de recherche d'optimum avec un traitement statistique par la méthode de simulation de Monte Carlo.
3. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on détermine la distribution, selon la longueur du barreau, de l'incertitude relative IX/X sur la position (X), par corrélation, et qu'on procède à un étalonnage pour chaque type de barreau.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on choisit carme estimateur de l'incertitude absolue de plage de position la largeur à mi-hauteur du spectre de distribution.
5. 5. Milieu cristallin isotrope, conçu apte à la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, constitué par un barreau détecteur de photons gamma (1) constitué d'une juxtaposition de tronçons (6) prismatiques d'un même monocristal, caractérisé par le fait que lesdits tronçons (6) sont séparés deux à deux par une couche (7) à faces (8, 9), parallèles d'un milieu intermédiaire, isotrope, de nature différente de celle dudit monocristal, et d' indice de réfraction différent de celui dudit monocristal.
6. 6. Barreau (1) selon la revendication 5, caractérisé par le fait que 30 l'indice de réfraction dudit milieu intermédiaire est inférieur à celui dudit monocristal.
7. 7. Barreau CO selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait qu'il est monobloc.
8. 8. Barreau (1) selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé par 35 le fait que lesdits tronçons (6) sont séparés deux à deux par une encoche (11) . 11
9. 9. Barreau (1) selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait qu'il est constitué de la juxtaposition de plusieurs prismes élémentaires (10).
10. 10. Dispositif de tomographie par émission de positons, cî portant 5 des barrettes détectrices disposées sous forme d'au moins un anneau détecteur, chaque barrette détectrice étant constituée d'une matrice de barreaux détecteurs (1) selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé par le fait que chaque barreau de cristal scintillateur est couplé aux deux extrémités à des photodétecteurs état solide fonctionnant 10 en mode Geiger.