FR3113132A1

FR3113132A1 - Dispositif d’imagerie par photons X rétrodiffusés

Info

Publication number: FR3113132A1
Application number: FR2008069A
Authority: FR
Inventors: Thierry LEMOINE
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2022-02-04
Anticipated expiration: 2040-07-30
Also published as: WO2022022868A1; FR3113132B1; US20230293126A1; AU2021314651A1; CN115997256A; EP4189373A1

Abstract

Dispositif d’imagerie par photons X rétrodiffusés L’invention concerne un dispositif d’imagerie par photons X rétrodiffusés comprenant plusieurs sources de rayonnement X (14, 16), toutes configurées pour éclairer une zone d’analyse (12) dans laquelle un objet à imager peut être disposé, et un détecteur pixélisé (24) de rayonnement X disposé de façon à détecter des photons X pouvant être diffusés par l’objet. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Dispositif d’imagerie par photons X rétrodiffusés

L’invention concerne un système d’imagerie par photons X. La plupart des systèmes d’imagerie X fonctionnent en transmission, c’est le cas de la radiographie conventionnelle. Plus précisément, une partie de photons X incidents éclairant un objet à imager est absorbée par l’objet. L’image est obtenue à partir de la partie des photons X non absorbée ayant traversé l’objet qui est disposé entre la source de rayonnement X et le détecteur. Dans certaines situations, ce type de radiologie ne permet pas l’obtention d’image, c’est le cas notamment pour contrôler un bagage abandonné le long d’une paroi. Il est alors impossible de placer l’objet entre la source et le détecteur. C’est également le cas en présence d’une substance opaque au rayonnement X qui apparait comme une zone uniforme en radiographie conventionnelle. L’imagerie par photons rétrodiffusés permet de pallier ces situations. Ce type d’imagerie met à profit l’interaction entre les photons X incidents et la matière constituant les objets à imager. Plusieurs phénomènes se traduisent par une diffusion de photons dans toutes les directions et notamment en direction de la source de rayonnement incident. Parmi les phénomènes physiques identifiés, on note principalement les diffusions de Rayleigh et de Compton.

La mise en œuvre de l’imagerie par photons rétrodiffusés peine néanmoins à se développer car la réalisation d’une image est difficile. La raison essentielle tient au fait que pour des photons dont l’énergie est comprise entre 1 et 1000 keV, il n’est pas possible de réaliser des dispositifs fonctionnant de façon semblable aux dispositifs de focalisation optique. L’indice de réfraction est trop faible pour la réalisation de lentilles, et la transparence des métaux à ces énergies empêche la réalisation de miroirs.

Plusieurs techniques ont cependant été développées pour réaliser une image à partir de photons rétrodiffusés. Une première technique consiste à éclairer l’objet à imager au moyen d’un faisceau fin de photons X et de déplacer le faisceau pour couvrir l’ensemble de l’objet. Cette technique est connue dans la littérature anglo-saxonne sous le nom de : « flying spot ». A un instant donné, seule une zone étroite de l’objet est susceptible d’émettre des photons rétrodiffusés. Il suffit alors de collecter tous les photons émis sans se préoccuper de leur origine, par un détecteur à un seul pixel. L’image est reconstituée en balayant la totalité de l’objet en déplaçant le faisceau de photons X. La résolution de l’image obtenue est donnée par la géométrie du faisceau.

Une deuxième technique consiste à éclairer l’objet dans son ensemble par des photons X et à utiliser un détecteur pixélisé et collimaté pour collecter les photons rétrodiffusés. Le collimateur placé devant chaque pixel du détecteur est suffisamment anisotrope pour que chaque pixel ne reçoive les photons d’une zone de l’objet située en vis-à-vis. La résolution de l’image est alors donnée par le détecteur et son collimateur.

Une troisième technique consiste également à éclairer l’objet dans son ensemble et à utiliser un détecteur pixélisé. A la différence de la deuxième technique, la troisième technique n’utilise pas de collimateur mais une plaque absorbante percée d’un trou d’où l’appellation anglo-saxonne de cette technique : « pin hole » pour trou d’aiguille.

La technique dite du « pin hole » présente l’avantage de la simplicité. La dimension du trou forme le paramètre le plus important à prendre en compte pour la qualité de l’image obtenue. En première approche, le diamètre de trou est du même ordre de grandeur, voire plus petit, que la taille des pixels du détecteur. Un trou plus grand entrainerait une dégradation de la résolution de l’image. En revanche, le flux de photons traversant un trou reste de faible intensité, ce qui entraine un rapport signal sur bruit qui peut être trop faible pour l’obtention d’une image exploitable. Autrement dit, pour améliorer le rapport signal sur bruit il faut augmenter les dimensions du trou ce qui dégrade la résolution spatiale de l’image. La qualité de l’image est le résultat d’un compromis entre résolution et rapport signal sur bruit.

Pour augmenter le rapport signal sur bruit, une solution consiste à augmenter la quantité de photons incidents émis par la source, ce qui permet d’augmenter proportionnellement le nombre de photons rétrodiffusés. Cependant, certains objets sont soumis à des doses maximales d’irradiation, notamment en imagerie médicale. De plus, les sources de rayonnement X sont également limitées dans les doses qu’elles peuvent émettre. La limitation des sources est essentiellement due à l’aspect thermique. Plus la source émet de rayonnement, plus son échauffement est important. Dans le cas de systèmes d’imagerie portable à alimentation autonome, l’émission de rayonnement est également limitée par les batteries que le système embarque.

Une autre limitation de la technique du « pin hole » réside dans la géométrie du système d’imagerie. Dans l’objet à imager, les zones les plus proches de la source reçoivent un rayonnement incident plus important que les zones les plus éloignées. La quantité de rayonnement rétrodiffusé est donc fonction de la distance à la source. De plus, la quantité de rayonnement rétrodiffusé est aussi fonction d’un angle formé entre une direction passant par la source et le point de l’objet impacté par le rayonnement incident et une direction passant par ce point et le trou de la plaque absorbante. Ces deux caractéristiques géométriques entrainent une inhomogénéité intrinsèque de la distribution des photons rétrodiffusés sur la surface du détecteur indépendamment de l’objet à imager.

L’invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant un dispositif d’imagerie par photons X rétrodiffusés permettant d’améliorer la qualité des images obtenues en éclairant un objet imager au moyen de plusieurs sources distinctes de rayonnement X.

L’éclairement de l’objet par plusieurs sources distinctes permet d’améliorer l’homogénéité du flux de photons incidents atteignant l’objet aussi bien en intensité qu’en angle d’éclairement.

A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif d'imagerie par photons X rétrodiffusés comprenant plusieurs sources de rayonnement X, toutes configurées pour éclairer une zone d'analyse dans laquelle un objet à imager peut être disposé, et un détecteur pixélisé de rayonnement X disposé de façon à détecter des photons X pouvant être diffusés par l'objet.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, le dispositif d'imagerie comprend en outre une plaque absorbante percée d'au moins un orifice permettant à des photons X pouvant être diffusés par l'objet de traverser l'orifice, le détecteur pixélisé étant disposé de façon à détecter les photons X traversant l'orifice.

Dans le mode de réalisation particulier les différentes sources de rayonnement X sont avantageusement équiréparties autour de l'orifice.

Chaque source de rayonnement X comprend avantageusement une cathode froide émettant un faisceau d'électrons par effet de champ.

Le dispositif d'imagerie peut comprendre un des sources de rayonnement X. Le module de pilotage peut être configuré pour faire émettre simultanément plusieurs sources ou pour faire émettre séquentiellement une ou plusieurs sources parmi les sources de rayonnement module de pilotage X.

Chaque source de rayonnement X est avantageusement configurée pour éclairer à un instant donné la totalité de la zone d'analyse.

Dans le mode de réalisation particulier de l’invention, la plaque absorbante peut comprendre plusieurs orifices. Le dispositif d'imagerie comprend alors, un module de traitement de signaux issus du détecteur, le module de traitement étant configuré pour extraire l'information utile représentant l'image de l'objet à imager.

L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel :

la représente schématiquement un exemple de dispositif d’imagerie conforme à l’invention ;

la représente schématiquement une variante du dispositif de la .

Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.

la représente schématiquement un exemple de dispositif d’imagerie 10 selon l’invention et permettant de détecter des photons X rétrodiffusés. Le dispositif d’imagerie 10 comprend plusieurs sources de rayonnement X toutes configurées pour éclairer une zone d’analyse 12 du dispositif 10. Les objets à imager sont disposés dans la zone d’analyse 12. La forme du faisceau émis par chaque source peut être conique et couvrir toute la zone d’analyse. Ainsi les sources n’ont pas besoin de balayage pour éclairer la zone d’analyse 12 et tous les points de la zone d’analyse 12 sont éclairés à un même instant par toutes les sources de rayonnement X. Alternativement, les différentes sources peuvent utiliser un balayage pour éclairer la zone d’analyse 12. Il est également possible de mettre en œuvre des sources ne pouvant pas éclairer la totalité de la zone d’analyse 12 avec ou sans balayage. La présence de plusieurs sources de rayonnement X, même si chacune ne peut éclairer la totalité de la zone d’analyse permet déjà d’améliorer l’homogénéité de l’éclairement de la zone d’analyse 12. Dans l’exemple représenté, deux sources 14 et 16 sont représentées. Il est bien entendu possible de mettre en œuvre l’invention dans un dispositif comprenant plus de deux sources de rayonnement X.

Les sources 14 et 16 sont représentées sur la de façon schématique pour un point formant le point focal dont est issu le rayonnement X. En pratique, dans le cadre de l’invention, tout type de source de rayonnement X peut être mise en œuvre, qu’elle possède un point focal ou non. A titre d’exemple, on peut citer les tubes à cathode thermoïonique. Parmi ces tubes, il est possible de mettre en œuvre des tubes à anode fixe ou des tubes à anode tournante. Ce dernier type de tube présente l’intérêt d’une meilleure dissipation de la chaleur émise lorsque le faisceau d’électrons émis par la cathode atteint l’anode. Il est également possible de mettre en œuvre des tubes à cathode froide émettant un faisceau d’électrons par effet de champ. Ce type de tube est par exemple décrit dans la demande de brevet WO 2019/011980 A1 déposé au nom de la demanderesse. Les sources de rayonnement X à cathode froide présente l’intérêt de leur compacité ce qui permet par exemple de les mettre en œuvre dans un dispositif d’imagerie 10 portatif. Les sources de rayonnement X à cathode froide sont également de plus petites dimensions que les sources à cathode thermoïonique ce qui permet d’augmenter plus facilement le nombre de sources présentes dans le dispositif d’imagerie 10.

Le dispositif d’imagerie 10 est basé sur le principe du « pin hole ». A cet effet, le dispositif 10 comprend une plaque absorbante 20. Plus précisément la plaque est réalisée dans un matériau absorbant le rayonnement X. La plaque absorbante 20 est percée d’au moins un orifice 22 permettant à des photons X diffusés par l’objet à imager de traverser l’orifice 22. En pratique, le matériau de la plaque absorbante 20 permet d’absorber une majorité du rayonnement l’atteignant. On choisit des matériaux à fort numéro atomique. Dans un dispositif portable où l’on cherche à réduire la masse globale, on peut être enclin à réduire la masse des composants embarqués et notamment la masse de la plaque absorbante 20 notamment en réduisant son épaisseur ce qui conduit à réduire l’absorption de la plaque 20. Le matériau et l’épaisseur de la plaque 20 sont définis pour permettre une discrimination entre la partie du rayonnement absorbée par la plaque et la partie traversant l’orifice 22.

Le dispositif d’imagerie 10 comprend en outre un détecteur de rayonnement X 24 disposé de façon à détecter les photons X traversant l’orifice 22. Le détecteur 24 est pixélisé de façon à identifier la zone de l’objet à imager dont proviennent les photons diffusés. Par détecteur pixélisé, on entend tout type de détecteur apte à collecter différentes informations selon au moins une direction. Il peut s’agir d’un détecteur analogique comme par exemple un film photosensible ou d’un détecteur numérique possédant plusieurs pixels discrets. Parmi les détecteurs numériques, de nombreuses familles de existent et peuvent être mise en œuvre dans le cadre de l’invention, A titre d’exemple, on peut citer les panneaux plats à détection indirecte et possédant un scintillateur transformant les photons X en photons dans une longueur d’onde est adaptée à la technologie des détecteurs. On peut également citer les panneaux plats à détection directe des photons X. Le panneau plat s’étend selon deux dimensions. Il est également possible de mettre en œuvre un détecteur en barrette s’étendant selon une seule direction. Il est également possible de mettre en œuvre une caméra optique associée à un scintillateur. Les écrans radio-luminescent à mémoire peuvent aussi être utilisés comme détecteur dans le cadre de l’invention. Ce type d’écran est couramment utilisé dans une forme particulière de radiologie numérique souvent appelée par son acronyme anglais : CR pour « Computed Radiography ». Le principe de cette forme de radiologie consiste à réaliser une image sur l’écran puis de scanner l’écran avec un appareil dédié. L’écran est ensuite fortement éclairé de manière à en effacer l’image avant une nouvelle utilisation.

L’invention peut également être mise en œuvre sans plaque absorbante et avec un détecteur collimaté. Plus précisément, un détecteur collimaté permet de ne recevoir que des photons provenant d’une direction ou ayant un faible écart angulaire avec celle-ci. Les photons provenant d’autres directions sont absorbés par un collimateur disposé entre le détecteur et la zone 12. Cela permet de distinguer, pour chaque pixel du détecteur, la zone de l’objet dont il provient.

Le fait d’éclairer la zone 12 au moyen de plusieurs sources de rayonnement X distinctes permet d’améliorer l’homogénéité de l’éclairement de la zone 12 ainsi que l’homogénéité de la répartition des photons rétrodiffusés sur le détecteur 24. Avec une seule source, deux types d’inhomogénéités peuvent être remarquées. Tout d’abord, la distance à la source entraine une inhomogénéité de l’éclairement en intensité du fait de l’étalement conique du faisceau incident. Plus un point de l’objet est proche de la source, plus il reçoit de photons incidents et par voie de conséquence, plus il émet de photons diffusés. Ensuite, il est possible de définir pour chaque point de l’objet, un angle entre une première direction passant par le point considéré et la source et une seconde direction passant par le point considéré et l’orifice 22. Pour un même flux de photons incidents, l’intensité de photons diffusés dépend de l’angle entre les deux directions. Sur la , un angle θ1 et un angle θ2 sont représentés pour des diffusions réalisées à partir d’un point de l’objet recevant respectivement des photons X issus des deux sources 14 et 16. Avec plusieurs sources, les deux types d’inhomogénéités due à la distance à la source et due à l’angle ont tendance à se compenser en fonction de l’origine des photons incidents.

Afin de réduire au mieux les deux types d’inhomogénéités, les différentes sources de rayonnement X sont équiréparties autour de l’orifice 22. Plus précisément, les différentes sources sont réparties sur un cercle dont le centre passe par un axe passant par l’orifice 22. Dans l’exemple représenté, les deux sources 14 et 16 sont diamétralement opposées sur le cercle défini plus haut. Sur la , le cercle est vu par la tranche.

Le dispositif d’imagerie 10 comprend un module de pilotage 26 des sources de rayonnement X (14, 16). Le module de pilotage 26 peut être configuré pour que les différentes sources puissent émettre simultanément. L’émission simultanée permet d’améliorer le rapport signal sur bruit de l’image de l’objet obtenue par le détecteur 24. En effet, pour une source prise isolément, le flux de rayonnement X maximum qu’elle peut émettre est principalement lié à sa possibilité dissipation de chaleur. En multipliant le nombre de sources, on augmente d’autant le flux de photons X atteignant l’objet à imager. Si au contraire, le rapport signal sur bruit d’une source unique est considéré comme suffisant, en multipliant le nombre de source, pour atteindre le même flux de photons X incidents, on peut réduire la durée d’émission des différentes sources. Cela permet de réduire la durée d’intégration au niveau de chaque pixel du détecteur 24. Dans un détecteur numérique, la réduction de la durée d’intégration permet de réduire l’impact du courant de fuite de chaque pixel et donc permet d’améliorer la qualité des signaux collectés et par conséquent la qualité de l’image de l’objet.

Alternativement ou même en complément, il est possible de configurer module de pilotage 26 pour que les différentes sources puissent émettre séquentiellement. L’émission séquentielle peut présenter un intérêt notamment pour limiter la consommation instantanée du dispositif en répartissant dans le temps l’allumage des différentes sources de rayonnement X. Dans le dispositif 10 le module de pilotage 26 peut être configuré pour permettre à un utilisateur de choisir entre une émission simultanée et une émission séquentielle. Ces deux types d’émission peuvent même être combinés en permettant une émission simultanée de P sources parmi N, N étant le nombre de total de sources et P étant un entier naturel strictement inférieur à N. Le choix des P sources tournant séquentiellement parmi les N sources.

La représente une variante de dispositif d’imagerie 30 dans lequel on retrouve les sources 14 et 16 ainsi que le détecteur 24. A la différence du dispositif 10, le dispositif 30 comprend une plaque 32 percée de plusieurs orifices 34, 36, 38, 40, 42, 44 et 46. Dans l’exemple représenté, les différents orifices sont répartis sur un même axe de la plaque 32, axe vertical sur la . En pratique, dans le cas d’un détecteur 24 plan, les différents orifices sont répartis sur une surface de la plaque 32, par exemple à contour circulaire. Les orifices peuvent être discrets. Plus généralement, l’absorption de la plaque 32 varie selon une fonction à deux variables dans un repère spatial de la plaque. On note par exemple la fonction : f(x, y), x et y étant deux coordonnées cartésiennes de la surface de la plaque 24. L’image I(x, y) délivrée par le détecteur dépend à la fois de l’objet dont on recherche l’information utile dans un repère x, y : O(x, y) et de la fonction f(x, y). Le dispositif d’imagerie 30 comprend un module de traitement 50 de signaux issus du détecteur 24 et configuré pour extraire l’information utile O(x, y) représentant l’image de l’objet. Les signaux issus du détecteur 24 forment une convolution de signaux élémentaires issus des photons ayant traversé chacun des orifices 34 à 46. Le module de traitement 50 met en œuvre avantageusement un algorithme à base de déconvolution pour retrouver l’image de l’objet O(x, y). Notons que si les images projetées sur le détecteur par les différents orifices ne se recouvrent pas, l’algorithme de déconvolution s’approche d’une simple superposition des images, éventuellement avec un traitement permettant de réduire l’impact des effets de parallaxe.

Par rapport au dispositif 10, le dispositif 30 permet d’augmenter de façon substantielle le flux de photons atteignant le détecteur 24 et donc du rapport signal sur bruit de l’image. Cette amélioration est cependant obtenue au détriment d’une légère perte de résolution spatiale qui peut rester acceptable au regard du gain de qualité de l’image due à l’amélioration du rapport signal sur bruit.

Claims

Dispositif d’imagerie par photons X rétrodiffusés comprenant plusieurs sources de rayonnement X (14, 16), toutes configurées pour éclairer une zone d’analyse (12) dans laquelle un objet à imager peut être disposé, et un détecteur pixélisé (24) de rayonnement X disposé de façon à détecter des photons X pouvant être diffusés par l’objet.
Dispositif d’imagerie selon la revendication 1, comprenant en outre une plaque absorbante (20 ; 32) percée d’au moins un orifice (22 ; 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46) permettant à des photons X pouvant être diffusés par l’objet de traverser l’orifice, le détecteur pixélisé (24) étant disposé de façon à détecter les photons X traversant l’orifice.
Dispositif d’imagerie selon la revendication 2, dans lequel les différentes sources de rayonnement X (14, 16) sont équiréparties autour de l’orifice (22 ; 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46).
Dispositif d’imagerie selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque source de rayonnement X (14, 16) comprend une cathode froide émettant un faisceau d’électrons par effet de champ.
Dispositif d’imagerie selon l’une des revendications précédentes, comprenant un module de pilotage des sources de rayonnement X (14, 16) configuré pour faire émettre simultanément plusieurs sources parmi les sources de rayonnement X (14, 16).
Dispositif d’imagerie selon l’une des revendications précédentes, comprenant un module de pilotage des sources de rayonnement X (14, 16) configuré pour faire émettre séquentiellement une ou plusieurs sources parmi les sources de rayonnement X (14, 16).
Dispositif d’imagerie selon l’une des revendications 5 ou 6, dans lequel, chaque source de rayonnement X (14, 16) est configurée pour éclairer à un instant donné la totalité de la zone d’analyse (12).
Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la plaque absorbante comprend plusieurs orifices (34, 36, 38, 40, 42, 44, 46), le dispositif d’imagerie comprenant un module de traitement (50) de signaux issus du détecteur (24), le module de traitement (50) étant configuré pour extraire l’information utile représentant l’image de l’objet à imager.