0 13 12 5 1 PROCEDE POUR AMELIORER LA RESOLUTION EN ENERGIE DE DETECTEURS DE RAYONS GAMMA A SCINTILLATION, SYSTEME, COMPOSANT ET APPLICATION ASSOCIES DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001]L'invention se rapporte à la mesure de l'énergie d'une source de rayons gamma via un processus de scintillation. Plus particulièrement l'invention concerne un procédé pour améliorer la résolution en énergie de détecteurs de rayons gamma à base de scintillateurs. L'invention concerne également l'ensemble des applications actuelles des détecteurs à scintillation dans la mesure où elles font appel à une mesure de l'énergie du rayonnement telles que l'imagerie médicale, la spectroscopie gamma, la physique nucléaire. [0002]A l'heure actuelle, la plupart des applications liées aux cristaux scintillants cherchent à mesurer l'énergie d'un rayon gamma incident, afin soit de constituer un spectre du rayonnement incident et d'y détecter des raies caractéristiques, (par exemple dans l'analyse par activation neutronique..) soit de vérifier que le rayonnement détecté est bien le signal que l'on cherche et non du bruit de fond (imagerie nucléaire : PET, SPECT...). Pour l'ensemble de ces applications la connaissance précise de l'énergie du photon gamma incident est un des points importants de la performance du détecteur. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0003]Dans la technique actuelle, pour mesurer l'énergie d'un photon gamma, on mesure le nombre de photons visibles émis lors d'une interaction. En effet il existe une relation entre l'énergie d'un photon gamma incident et le nombre de photons visibles émis par scintillation propre à chaque type de cristal scintillant. Selon le type de cristal choisi, cette relation est plus ou moins linéaire. Les meilleurs scintillateurs en termes de résolution en énergie sont aujourd'hui les halogénures de lanthane pour lesquels la linéarité est forte pour des énergies > 100 KeV. La précision sur la mesure de l'énergie s'accroît alors avec le nombre de photons collectés et donc l'énergie du photon incident. [0004]Cependant aujourd'hui pour un rayonnement d'énergie donnée, la fluctuation du nombre de photons effectivement détectés est forte (profondeur d'interaction, pile up...). Il faut donc accumuler plusieurs détections de photons gamma et faire une statistique. La mesure de l'énergie d'un seul photon par les spectromètres actuelle est peu précise. [0005]Dans les configurations actuelles et connues, le cristal scintillant qui peut avoir diverses géométries selon l'application 'plaques, barreau, cylindre... possède une face de sortie sur laquelle on collecte les photons émis par scintillation. Ces photons sont détectés par un photodétecteur (Photo multiplicateur, Si-PMT...) pendant une durée qui dépend des caractéristiques d'émission du scintillateur. Typiquement on intègre les photons émis sur une durée égale à 2 à 3 fois le temps de déclin (decay time) T (période de décroissance de l'émission lumineuse du scintillateur). [0006] La solution actuelle pose plusieurs problèmes : premièrement, pour avoir une bonne statistique de comptage de photons, il faut intégrer le rayonnement émis par chaque évènement sur une durée assez longue. Si, pendant la cette durée, une autre interaction intervient, le signal est perturbé. A cause de l'effet pile-up ce qui dégrade la précision de la mesure de l'énergie. [0007] Le deuxième problème consiste en ce que le nombre de photons collectés dépend de la géométrie du cristal. En effet, certains photons sont perdus lors des réflexions sur des interfaces du cristal. Le nombre de photons effectivement collectés varie en outre en fonction de la profondeur de l'interaction dans le cristal. Le résultat optimum en terme de résolution énergétique est souvent mesuré pour un cylindre. Les résultats obtenus pour des plaques (SPECT) ou des pixels (PET) sont dégradés par rapport à cet optimum, souvent d'un facteur 2 ou plus. [0008] Par ailleurs, ce type de détecteur ne permet pas une mesure très précise du moment de l'interaction à cause de problème de la profondeur de l'interaction entre autres. [0009] Du fait de ces limitations, on ne détecte pas l'énergie d'un photon gamma individuel. On intègre un grand nombre d'événements individuels et on constitue un graphe montrant le nombre d'événements en fonction de leur énergie. Les raies gamma caractéristiques (i.e.
511 KeV) apparaissent comme un pic sur ce graphe dont la largeur définit la résolution en énergie du détecteur. [0010]L'objet de l'invention est donc de proposer une solution technique qui permette: - d'améliorer la résolution en énergie en la ramenant à une valeur proche de son maximum théorique donné par la relation nombre de photons émis/Energie du photon y. - d'obtenir une valeur de la résolution en énergie qui ne soit pas dépendante de la géométrie du détecteur. - de diminuer le problème de pile-up, la plupart des événements pouvant être mesurés individuellement. - de permettre d'obtenir une estimation de l'énergie d'un événement individuel - de déterminer de manière très précise l'instant de l'interaction. - de pouvoir être adapté sur des cristaux existants par un changement d'électronique. EXPOSE DE L'INVENTION [0011] L'invention vise à proposer un procédé d'amélioration de la résolution en 20 énergie d'un détecteur de rayonnement gamma comprenant un scintillateur et un photo-détecteur segmenté constitué d'un ensemble de pixels, lors d'un événement de scintillation caractérisé par les étapes suivantes: - détecter le temps d'arrivée des premiers photons sur ledit photo-détecteur; - compter pendant une période Ti dite « temps d'intégration » comprise entre 2 et 25 6 fois un temps de transfert (Tc), le nombre des premiers photons non diffusés détectés, et déterminer leur localisation ; - déterminer la position (X, Y) d'un événement de scintillation à partir de la localisation desdits premiers photons non diffusés détectés ; - déterminer le diamètre et la position d'au moins un disque à l'intérieur duquel est disposé un ensemble de photons non diffusés ; - compter le nombre de photons non diffusés disposés à l'intérieur dudit disque pendant une durée Td dite « temps de comptage » supérieure au temps de déclin (T) du scintillateur ; - définir l'énergie d'un photon gamma, ladite énergie étant proportionnelle au nombre de photons non diffusés comptés à l'intérieur du disque. [0012]De préférence, on compte les photons à l'intérieur du disque pour une durée égale à environ 2 à 3 fois le temps de déclin (decay time -c) dudit scintillateur. [0013]On entend par temps de transfert (Tc), le temps caractéristique de propagation de la lumière dans un scintillateur. Pour un scintillateur d'indice n et d'épaisseur H. Tc = H / (n/c). Le decay time -c est défini comme le temps de décroissance ou déclin du scintillateur. Si No est le nombre total de photons émis par ce scintillateur, le nombre de photons émis à t suit la loi N = No exp (4/ . [0014]Particulièrement, on estime la position Z de l'interaction en fonction du diamètre du disque des photons non diffusés, ladite position Z étant la profondeur de ladite interaction. [0015]Avantageusement, lorsque deux photons gamma indépendants impactent le scintillateur à un instant proche, et lorsque deux disques de lumière sont disjoints, on compte indépendamment deux événements et on mesure l'énergie desdits événements indépendamment. Par « instant proche », on entend un décalage temporel entre les impacts de deux photons gamma, compris entre 200 picosecondes et le temps de déclin (T). [0016]L'invention concerne encore un système de détection de rayonnement gamma pour la mise oeuvre du procédé ci-dessus comprenant un cristal scintillateur avec une face de sortie polie et couplé par un joint optique à un réseau de photo-détecteurs segmentés, lesdits photo-détecteurs étant lus par un 3 0 13 12 5 5 composant micro-électronique de type ASIC. Le système est caractérisé en ce que le système est apte à mesurer le temps d'arrivée des premiers photons pendant une durée d'environ 2 à 6 temps de transfert (Tc), à mesurer le nombre et à déterminer la localisation desdits premiers photons, et en ce qu'il est apte à 5 compter le nombre de photons détectés pendant une durée d'environ 2 à 3 fois un temps de déclin (T) dudit scintillateur pour chaque pixel afin de mesurer l'énergie d'un seul photon gamma avec une précision supérieure à trois fois la résolution théorique du cristal scintillateur pour une énergie donnée. [0017]Le temps d'arrivée des photons et le comptage pendant la période Ti 10 servent à déterminer la position des photons non diffusés. L'intégration pendant la période Td sert à mesurer l'énergie du photon. [0018]Selon l'invention, le composant micro-électronique de lecture est intégré dans un photo-détecteur de type Si-PMT. [0019]En outre, le cristal scintillateur présente différentes géométries sous forme 15 de plaques, cylindres, ou barreaux etc. [0020] De préférence, le cristal scintillateur est un halogénure de lanthane ou un silicate de lutétium pour un rayonnement d'énergie supérieure à 100 KeV. [0021]Le cristal scintillateur est d'un type quelconque lorsque les photons à détecter ont une énergie supérieure à 1MeV. 20 [0022]L'invention concerne en outre un composant micro-électronique du type ASIC mixte utilisé pour la lecture d'un photo-détecteur du système de détection ci-dessus. Ledit composant micro-électronique mixte est caractérisé en ce qu'il comprend une partie analogique apte à mesurer un événement avec une précision temporelle de l'ordre de 100 picosecondes et une partie digitale. Ce composant 25 est apte à mesurer le temps d'arrivée des premiers photons, à compter pendant Ti soit 2 à 6 fois le temps de transfert le nombre de photons détectés pour un pixel du photo-détecteur, et à intégrer le nombre de photons détectés pendant Td soit 2 à 3 fois le temps de déclin ('r) du scintillateur. 3 0 1 3 1 2 5 6 [0023]L'invention peut aussi consister en un photo-détecteur de type Si-PMT intégrant sous forme micro-électronique les fonctionnalités décrites ci-dessus. (SiPMT numérique) [0024] L'invention concerne encore l'application du système de détection ci-dessus 5 pour améliorer la résolution en énergie des scintillateurs dans des imageurs gamma du type SPECT ou PET. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0025] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui 10 illustrent : la figure 1, le principe d'un photon gamma qui subit un effet photoélectrique dans un cristal scintillant, et les trois types de photons émis: a) non diffusés b) réfléchis sur la face inférieure 15 c) diffusés sur la face supérieure la figure 2A représente une cartographie des photons détectés par les Si-PMT pour un rayonnement de 511 KeV dans le cas d'un événement de scintillation ayant lieu avec Z = 5 mm dans un cristal de LaBr3 :Ce d'épaisseur 30 mm et pour un temps d'intégration de Ti = 700 ps; 20 la figure 2B représente le même événement pour un temps d'intégration de Ti = 2900 ps. DESCRIPTION DETAILLEE [0026]En référence à la figure 1, le détecteur est composé des éléments 25 suivants : 1) face supérieure rugueuse et diffusante du cristal : Z=0 ; 2) Cristal scintillant (LaBr3 :Ce) ; 3) Photo-détecteur segmenté ; 4) Joint optique 5) Face de sortie polie du cristal. [0027]La présente invention permet de différencier par leur répartition spatiale et temporelle les photons non diffusés qui cheminent en ligne droite depuis le point d'interaction et ceux qui ont subi au moins une diffusion ainsi que l'enseigne la demande internationale n° PCT/FR2013/052672, du même déposant. Par contre 3 0 1 3 1 2 5 7 ici l'information sur des nombres de photons non diffusés est utilisée pour une mesure d'énergie de l'interaction et non pour une mesure spatiale ou temporelle. Seuls sont considérés en effet pour la mesure de l'énergie de l'interaction les photons non diffusés. 5 [0028]Les photons non diffusés sont répartis dans un cône dont le sommet est le lieu de l'interaction (X,Y,Z,T) et dont l'angle d'ouverture est l'angle de réflexion totale sur la face de sortie. [0029]A cette fin on utilise un cristal 2 d'indice n, dont la face de sortie 5 est polie et couplée via un joint optique 4 d'indice ng à un photo-détecteur segmenté 3, de 10 préférence un Si-PMT couplé à une électronique de lecture rapide, de préférence de type ASIC mixte. Les données de sortie de cette électronique sont une information temporelle (temps d'arrivée des premiers photons UV sur chaque pixel), une intégration du nombre de photons sur chaque pixel pendant un temps donné Ti inférieur à 2ns, une intégration du nombre de photons détecté sur 15 chaque pixel sur une durée (longue) supérieure à 50 ns. [0030]Pour chaque événement, l'information temporelle et la distribution des premiers photons détectés permettent d'estimer la position et le diamètre du disque qui contient tous les photons non diffusés, ainsi que l'enseigne la demande internationale n° PCT/FR2013/052672. Par la suite, on compte le nombre de 20 photons détectés uniquement dans cette zone (dans le disque) sur une durée qui dépend des caractéristiques d'émission du scintillateur, typiquement 2 à 3 fois le temps de déclin (decay time) T, afin d'obtenir un nombre d'événements adéquats. [0031]Pour une interaction (X, Y, Z, T), le calcul selon le procédé objet de la présente invention s'effectue de la manière suivante: on détecte d'abord un 25 premier photon (x1, y1, t1) et on mesure précisément son temps d'arrivée (trigger). On compte ensuite les coordonnées (xn, yn, tn) des n photons suivants pendant une durée Ti de 2 à 6 temps de transfert (Tc). La durée du temps d'intégration optimum dépend légèrement de la géométrie du scintillateur (plaque, cylindre...). Ce temps optimum peut être trouvé par simulation pour une géométrie 30 donnée. A partir de la localisation des n premiers photons, on estime la position de l'interaction X, Y ainsi que le diamètre de la tâche des photons non diffusés 3 0 1 3 1 2 5 8 détectés, selon les enseignements de la demande internationale n° PCT/FR2013/052672. Le diamètre de cette tâche ( ou disque) permet d'estimer la position Z de l'interaction dans le cristal et donc d'estimer précisément l'instant T de l'interaction. On compte ensuite pour une durée beaucoup plus longue, 5 idéalement 2 à 3 fois le temps de décroissance T (decay time) du scintillateur (par ex supérieure à 50 ns pour LaBr3) le nombre de photons qui sont détectés sur cette tâche (ou disque) de photons non diffusés. L'objectif est ici d'obtenir plus de 50% des photons non diffusés émis par l'interaction. Ledit nombre de photons non diffusés est proportionnel à l'énergie du photon gamma et est indépendant de la 10 géométrie du cristal scintillateur, il est peu affecté par le pile-up et permet donc de calculer l'énergie du photon gamma avec une erreur inférieure à celle obtenue selon l'art antérieur. [0032]Ce mode de calcul est indépendant de la géométrie du cristal à partir du moment où il est possible de reconnaitre correctement la forme de la tâche des 15 photons non diffusés et où l'on corrige la durée d'intégration Ti à partir de la valeur de Tc. La valeur optimum de Ti dépend en effet de Tc et de la géométrie du cristal. Par conséquent, le cristal scintillateur peut être de géométrie différente sous forme de plaque, cylindre, barreau etc.... [0033]Si on considère la résolution théorique Eth d'un scintillateur, liée à la 20 collection de tous les photons, le système selon l'invention permet pour un événement unique de mesurer l'énergie de l'événement avec une résolution en énergie inférieure à trois fois la résolution théorique du scintillateur. La résolution est préférentiellement comprise entre 2 et 2,5 fois la résolution théorique du scintillateur. 25 [0034]De plus ce type de traitement du signal peut être effectué dans tous les cas où le scintillateur a émis suffisamment de photons (10 à 100) en 2 à 6 Tc (temps de transfert) pour qu'on puisse localiser le lieu des photons non diffusés. Ceci implique aussi bien pour un scintillateur très rapide et lumineux du type LaBr3, que le procédé fonctionne pour une énergie du rayon gamma d'environ 50 KeV. Pour 30 un scintillateur moins rapide et moins lumineux telle que BGO et Nal (Ti), la méthode devient applicable lorsque les photons à détecter ont une énergie supérieure à 1 MeV. [0035] Dans le cas où un deuxième photon gamma impacte le scintillateur plus de 200 picosecondes après le premier impact et pendant la durée de comptage Td d'une première interaction (pile-up), si les disques de photons non diffusés ne sont pas confondus dans le plan des détecteurs, on pourra compter de manière indépendante les deux événements et donc mesurer correctement l'énergie des deux événements. Si les deux disques sont confondus, on pourra en analysant la répartition spatio-temporelle des photons détectés, déterminer que l'évènement n'est pas correct et le rejeter. [0036] Dans le cas où le photon gamma subit une déviation Compton avant d'être absorbé, on considérera les deux cas suivants: - Le photon y Compton reste dans le même cône de lumière (déviation inférieure à ec). Ce cas est le plus courant. Dans ce cas les photons non diffusés émis par l'interaction restent tous dans le même cône de lumière, mais leur répartition peut présenter une asymétrie i.e. un disque dense inclus dans un disque diffus. Il faudra tenir compte de cet effet dans le calcul du diamètre d'intégration qui sera celui du cercle diffus. - Le photon y Compton sort du cône de lumière. On obtient alors des événements distincts (2 cercles) simultanés dans le temps, contrairement au cas du pile-up. Deux options seront possibles selon la qualité des composants électroniques dont on dispose : o Rejeter l'événement comme non valide o Vérifier que après la période d'intégration Ti *Nombre de photons tâche 1 + Nombre de photons tâche 2 = nombre de photons permis pour l'énergie considérée. Dans ce cas la position correcte de l'événement reste dans le plus grand cercle. Ainsi, l'énergie de l'événement peut être obtenue en additionnant les comptages dans les 2 cercles (ou tâches ou disques). [0037]L'adjonction d'un photomultiplicateur (SI - PMT) et d'un composant microélectronique mixte rapide du type ASIC à un cristal scintillateur permettent d'améliorer ses performances. Ceci permet de réutiliser les cristaux dans le cas où la valeur de ceux-ci est importante vis-à-vis de la valeur du détecteur complet. [0038]Les figures 2A et 2B correspondent à une simulation numérique de type Monte-Carlo dans le cas d'une plaque de LaBr3 :Ce d'épaisseur 30 mm, face supérieure diffusante. (Tc = 200 ps) [0039]Plus précisément, les figures 2A et 2B représentent la mesure d'un rayonnement de 511 KeV dans le cas d'une interaction ayant lieu en (x,y, z, t) avec une profondeur d'interaction Z = 5 mm et différents temps après l'interaction initiale. [0040] Exemple 1 : Soit une plaque de monocristal LaBr3 d'épaisseur 30 mm. La face supérieure 1 est diffusante et recouverte d'un film blanc réfléchissant. Elle représente la position Z = 0. La face inférieure 5 est polie ; et via un joint optique 4 d'indice ng = 1,4 un photo-détecteur segmenté 3 par exemple un Si-PMT est collé sur la face inférieure 5. Les informations sont lues par un composant micro-électronique du type ASIC mixte rapide. Les données ci-dessous ont été adaptées par simulations à la géométrie et à la taille du scintillateur considéré. Ce composant micro-électronique ASIC mesure le temps d'arrivée du premier photon sur chaque pixel puis compte le nombre de photons pendant par exemple 700 ps entre le premier photon détecté (t1) et t1 + 700ps. Ensuite, il intègre le nombre de photons sur les seuls pixels qui ont été activés pendant les 700 ps suivant l'événement initial, pendant une durée permettant de récupérer plus de 50% des photons émis par le scintillateur dans cet angle solide, soit 60 ns environ dans le cas de LaBr3. [0041]On mesure un rayonnement de 511 KeV dans le cas d'une interaction photo-électrique pure ayant eu lieu à X, Y, Z, T. Les images représentées par les figures 2A et 2B correspondent à Z= 5 mm pour différents temps de transfert Tc. Le cercle représente les limites du cône des photons non diffusés. [0042]La meilleure définition du cercle est obtenue dans cette configuration pour Tc = 700 ps. (Figure 2A). Nous avons alors détecté environ 100 photons, dont 95% dans le cercle. Ceci permet de déterminer les coordonnées et le rayon du cercle avec les précisions suivantes en millimètres. o - X 0* Zo - Zo* Z=5 mm 0.0042 0.01 2.8 10.3 Z=10 mm 0.0031 0.03 4 35.07 Z=15 mm 0.017 0.002 6.3 52.47 Z=20 mm 0.0142 0.02 9.3 64.72 Z=25 mm 0.0009 0.01 12 75.95 [0043] Une fois la position et le diamètre du disque déterminés, on compte le nombre de photons uniquement à cet endroit, à l'intérieur du disque, pendant une durée de 60 ns. On obtient ainsi environ 7000 Photons, ce qui permet une bonne statistique sur la résolution en énergie. On obtient suivant ce procédé une résolution en énergie inférieure à 3% dans cette configuration pour LaBr3, contre 5 à 6% par une méthode classique (Spect). [0044]Le système selon l'invention peut s'adapter à différentes énergies de rayons gamma (de 50 KeV à plusieurs MeV), ainsi qu'à différentes géométries de cristal scintillateur (cylindres, plaques, barreaux, pixels...). Dans ces différentes situations, on fera varier le temps d'intégration Ti de manière à ce que Ti = 2 à 6 temps de transfert (Tc). Le temps de transfert Tc est le temps caractéristique de propagation de la lumière dans un scintillateur d'indice n et d'épaisseur H. Tc = H / (n/c). [0045] L'invention utilise le fait qu'il existe des scintillateurs très rapides adaptés à l'application SPECT et des électroniques très rapides pour les lire (par exemple Si-PMT et circuit micro-électroniques dédiés de type ASIC), voir l'article 25 « LaBr3 :Ce scintillation gamma camera prototype pour X and gamma ray imaging » R.Pani, M.N Cinti, R.Pellegrini, P.Bennatin... publié en février 2007'. Cet article montre des caractéristiques très prometteuses du cristal LaBr3:Ce comme imageur de rayons gamma. En particulier les excellentes valeurs de résolution d'énergie (6% à 140 KeV et - 3% à 662 KeV) sont obtenues lorsque le cristal LaBr3:Ce est couplé à un PMT. [0046]De manière générale, les premiers photons remplissent donc une sphère dont le diamètre croît au cours du temps à une vitesse v= c/n. L'image de cette sphère sur le plan des détecteurs est un cercle dont le diamètre croit jusqu'à atteindre un angle limite Thêta L. Ces photons UV se propagent à la vitesse de la lumière (c/n) dans le matériau avec n = 1.9, indice du milieu. Ensuite, on va faire la différence entre les photons directs et les photons diffusés. [0047]Dans un scintillateur de type LaBr3 dont le temps de montée au pic de lumière est environ 800 ps on améliore la résolution en énergie du détecteur en comptant le nombre de photons non diffusés détectés pendant une durée donnée supérieure au rise time (temps de montée au pic de lumière) du scintillateur (800 ps pour LaBr3) sur un certain disque incluant la tâche (disque) des premiers triggers (par exemple un disque dont le diamètre est de 2 fois le diamètre de la tâche). [0048] De manière générale, dans un détecteur plan monolithique, la résolution en énergie est dégradée par rapport à l'optimum théorique. La résolution en énergie est en effet liée au nombre de photons détectés pour un événement d'énergie donnée. Dans un détecteur plan la plupart des photons détectés ont subi de multiples diffusions depuis leur lieu d'émission. Lors de ces diffusions, un pourcentage variable de photons est perdu. La présente invention fournit une solution intéressante car en comptant uniquement les photons non diffusés issus du cône de lumière, on retrouve la proportionnalité nombre de photons/énergie propre au scintillateur. Ainsi on obtient une résolution en énergie de l'ordre de 3% avec LaBr3 :Ce. [0049] L'invention concerne en outre un composant micro-électronique du type 30 ASIC mixte pour la lecture d'un photo-détecteur du système de détection tel que décrit ci-dessus. Ledit composant micro-électronique mixte comprend une partie analogique pour mesurer un événement rapide ainsi qu'une partie digitale pour mesurer le temps d'arrivée des premiers photons (triggers), à compter le nombre de photons détectés pour chaque pixel. Ledit composant permet en plus d'intégrer le nombre de photons détectés pendant 2 à 3 fois le temps de décroissance du scintillateur. [0050]Le système selon la présente invention peut être appliqué dans des imageurs gamma du type SPEC ou PET. pour améliorer la résolution en énergie des scintillateurs. [0051]De nombreuses combinaisons peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention ; l'homme de métier choisira l'une ou l'autre en fonction des contraintes économiques, ergonomiques, dimensionnelles ou autres à respecter.15