WO1997012261A1 - Dispositif de mesure de l'intensite de rayons x - Google Patents

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Pierre Fessler
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Pierre Fessler
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2914—Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2921—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras
    • G01T1/2928—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras using solid state detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors

Definitions

  • the present invention relates in particular to the field of X-ray measurements and more particularly relates to a device for measuring the intensity of an X-ray beam, such a device which can in particular be used in medicine or in industrial maintenance
  • patent EP161324 describes an X-ray device comprising a source of X-rays emitting through a slit in the direction of a row of detectors made of thin semiconductor material with electrodes with which electrodes and associated means are associated. processing the signals from the detectors these electrodes have the form of dimension of rectangular section bars equal 0.5 mm * 1 mm * 10-20mm the bars of these dimensions are such that the spatial resolution can not be less than 0.5mm, and that the use of a semiconductor material with an atomic number less than 30 leads to poor detection yields
  • the problem posed by the invention is to overcome these drawbacks by proposing detection means allowing a spatial resolution of less than 10 ⁇ m if necessary and having a markedly increased efficiency, thereby reducing the doses of radiation received by the patient
  • the solution provided is a device for measuring the intensity of an X-ray beam comprising at least one detection element made of semiconductor material, characterized in that this detection element is in the form of a wafer and in that that the beam entry window is formed by the edge
  • the semiconductor material is silicon
  • the detection element comprises tracks (9) spaced by a distance d.
  • the distance d is less than 500 ⁇ m.
  • the device comprises several juxtaposed detection elements, these elements having a shape capable of avoiding edge effects, this shape possibly being that of a trapezoidal plate
  • the device comprises processing means which allow the acquisition of images simultaneously with several energies of the incident radiation.
  • FIG. 1 presents a diagram of an X-ray device according to the invention
  • FIG. 2 shows a silicon detection plate
  • FIG. 3 a diagram is shown of means for processing the signals from the detector
  • FIG. 4 represents a mode of juxtaposition of detection plates
  • a device for medical radiography of a body 1 comprises a generator 2 of an X-ray beam, a collimator 3 of this ray, detection means 4 of the intensity of the radiation and of the means 5 able to move the elements 2, 3 and 4 in a plane parallel to the plane of the body 1 to be studied
  • the detection means 4 are connected to electronic signal processing means 6, themselves connected to a microcomputer 7
  • Generator 2 is of known type and generates a beam whose energy depends on the type of radiography to be performed
  • the collimator is also of the known type and makes it possible to obtain a beam of parallel light rays
  • the detection means 4 consist of at least one solid detector, in this case a silicon wafer 8 whose dimensions can be of the order of 0.1 m in length and width and of thickness of the order of 500 ⁇ m .
  • This type of detector shown in Figure 2 is known to detect charged particles such as muons, proton pions ... and used in these applications so that the characteristic dimensions of the radiation entry window either the length and the width of the plate 8, or in the example cited above, 0.01 m 2 , the interaction between the particles and the detector occurring in the small thickness of the plate 8.
  • the surface delimited by the length and the width of the plate will be called S1 in the following.
  • Such a wafer comprises a plurality of parallel detection tracks 9, arranged in the direction of the length of the wafer 8.
  • a negative electrode is deposited on the underside of the wafer 8 and the tracks are grounded .
  • the plate is arranged in such a way that the characteristic dimensions of the window are the width and the thickness of the plate 8.
  • the interaction between the radiation and the plate can occur over the entire length of the detector.
  • the size of the window being thus considerably reduced, any study of the body 1 over a thickness requires either a scan over the region considered with the means 5 or a stack of detectors, the latter solution being more expensive and may have effects. edge at the interstices between the wafers, the photons of the incident X-ray may not interact.
  • the distance d separating each track from the wafer 8 is a function of the clinically necessary spatial resolution.
  • the distance d must be approximately 10 ⁇ m while for a study of the spine, a distance of 500 ⁇ m is sufficient.
  • the spatial resolution of the detector is directly proportional to this distance d.
  • the width of the detection varies. It can be around 10cm for a mammogram and 50cm for a chest x-ray. In the latter case, several plates 8 can be juxtaposed. To avoid edge effects between two detectors, it is preferable that the plates 8 are of trapezoidal shape as shown in FIG. 3. Thus, whatever the point of impact of the X photons, whose direction is perpendicular to the window of platelets, the absorption efficiency is substantially constant.
  • Each track 9 of a wafer is connected to the processing means 6 shown in the diagram in FIG. 4.
  • These processing means include means 10 for pre-amplification, means 11 for signal shaping, filtering means 12, counting means 13 and means 14 for storing information from the counting means.
  • 10 preamplification consist of a charge amplifier including in particular a capacity 15 in parallel with the amplifier
  • the filtering means 12 are constituted by a window disc ⁇ minator having a high threshold and a low threshold
  • the counting means are pulse counters and the means 14 are constituted by a buffer memory
  • Each track of a wafer 8 is connected to a processing assembly constituted by the elements 10, 11, 12, 13 and 14
  • This buffer memory 14 is connected by a bus to the microcomputer 7
  • the means 5 able to move the elements 2, 3 and 4 in a plane parallel to the plane of the body 1 to be studied are constituted by a rigid frame 16 on which said elements 2, 3 and 4 are fixed.
  • This frame is itself fixed on the piston 17 of a jack controlled by an electric motor of the continuous type and can slide around a slide 18
  • the slide 18 and the fixed part of the jack are secured to a fixed support 19
  • the part of the body 1 to be studied is arranged in the volume delimited by the detector, the distance separating the latter from the collimator and the height of displacement of the jack.
  • An X-ray beam is then generated in a detection plane and the jack is then actuated until the entire region of the body to be studied has been scanned by the X-ray beam
  • the signal processing means 6 count in real time the pulses coming from the detector and corresponding to the interactions between the X photons and the silicon of the wafers.
  • the information contained in each of the counters associated with each of the tracks 9 is stored in the buffer memory. , said information being read with software of known type, by the microcomputer 7 and displayed, as a function of their detection location, in shades of gray, the image being substantially identical to that of an X-ray taken at using a film
  • image processing can be carried out such as shape recognition, or zooming
  • the tracks can be arranged radially with respect to the source and can also be connected to a different electronics than that proposed by replacing for example the window discriminator by an analog digital converter or by several window discriminators; it then becomes possible to record an image simultaneously for several energies of the incident radiation. Finally, to reduce acquisition times, it is possible to envisage using several detectors simultaneously, where a stack of detectors and absorbents
  • the means of the invention can be applied in many fields such as those of industrial radiography or experiments in fundamental physics such as diffraction, scattering or absorption X
  • the invention is also applicable to tomography, scintigraphy in nuclear medicine and biology electrophoresis
  • wafers made of a solid semiconductor material other than silicon can also be envisaged.
  • germanium must be used at the temperature of liquid nitrogen.

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Abstract

La présente invention concerne notamment le domaine des mesures de rayons X et a plus particulièrement pour objet un dispositif de mesure de l'intensité d'un faisceau de rayons X, caractérisé en ce que cet élément de détection a la forme d'une plaquette (8) comportant des pistes (9) espacées d'une distance d et en ce que la fenêtre d'entrée du faisceau est constituée par la tranche de la plaquette. Application notamment à la radiographie X.

Description

Dispositif de mesure de l'intensité de rayons X
La présente invention concerne notamment le domaine des mesures de rayons X et a plus particulièrement pour objet un dispositif de mesure de l'intensité d'un faisceau de rayons X, un tel dispositif pouvant notamment être utilisé en médecine ou en maintenance industrielle
Actuellement, dans le domaine de la radiographie, qui est l'un des domaines d'application de la présente invention, on utilise couramment des films impressionnés par un rayonnement X incident Dans ce type de radiographie la dose reçue par le patient est imprécise et dans tous les cas, importante, et un traitement long est nécessaire pour interpréter le film impressionné
Pour permettre une interprétation rapide d'une radiographie, il est connu d'utiliser des détecteurs à gaz multifils qui permettent de détecter la plupart des photons entrant par leur fenêtre et réagissant avec le gaz Ils permettent, dans le domaine médical et par rapport aux films, de minimiser la dose de radiation nécessaire à la radiographie et donc, par conséquent, la dose reçue par le patient
Toutefois, ce type de détecteur présente notamment les inconvénients suivants
- de nombreux photons n'interagissent pas avec le gaz du fait de la faible densité de ce dernier, même comprimé, - la résolution spatiale est limitée à 100μm afin d'éviter les risques de claquage entre les fils qui sont soumis à une haute tension,
- le taux de comptage admissible est faible à cause d'un phénomène d'écran,
- il est très sensible aux accélérations et ses caractéristiques de fonctionnement varient au cours du temps On connaît aussi des dispositifs utilisant des matériaux semi-conducteurs
Ainsi le brevet EP161324 décrit un dispositif de radiographie comprenant une source de rayons X émettant au travers d'une fente en direction d'une rangée de détecteurs en matériau semi-conducteur de faible épaisseur avec des électrodes auxquels sont associés des électrodes et des moyens de traitement des signaux issus des électrodes Ces détecteurs ont la forme de barres de section rectangulaire de dimension égale 0,5mm*1 mm*10-20mm Les dimensions de ces barres sont telles que la résolution spatiale ne peut être inférieure à 0,5mm, et que l'emploi d'un matériau semi-conducteur de nombre atomique inféπeur à 30 conduit à de mauvais rendements de détection Le problème posé par l'invention est de pallier à ces inconvénients en proposant des moyens de détection permettant une résolution spatiale inférieure à 10 μm si nécessaire et ayant une efficacité nettement accrue, diminuant ainsi les doses de rayonnement reçues par le patient La solution apportée est un dispositif de mesure de l'intensité d'un faisceau de rayons X comportant au moins un élément de détection en matériau semi¬ conducteur, caractérisé en ce que cet élément de détection à la forme d'une plaquette et en ce que la fenêtre d'entrée du faisceau est constituée par la tranche de la plaquette
Selon une caractéristique additionnelle, le matériau semi-conducteur est du silicium
Selon une autre caractéristique l'élément de détection comporte des pistes (9) espacées d'une distance d Selon une caractéristique préférentielle, la distance d est inférieure à 500μm
Selon une autre caractéristique, le dispositif comporte plusieurs éléments de détection juxtaposés, ces éléments ayant une forme apte à éviter les effets de bord, cette forme pouvant être celle d'une plaquette trapézoïdale
Selon une autre caractéristique, le dispositif comporte des moyens de traitement qui permettent l'acquisition d'images simultanément a plusieurs énergies du rayonnement incident
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront dans la description d'un mode de réalisation de l'invention appliqué au domaine de la radiographie médicale, en regard des figures annexées parmi lesquelles
- la figure 1 présente un schéma d'un dispositif de radiographie selon l'invention,
- le schéma de la figure 2 montre une plaquette de détection en silicium,
- sur la figure 3, est représenté un schéma de moyens de traitement des signaux issus du détecteur,
- la figure 4 représente un mode de juxtaposition de plaquettes de détection,
Comme montré sur la figure 1 , un dispositif de radiographie médicale d'un corps 1 selon ce mode de réalisation de l'invention, comporte un générateur 2 d'un faisceau de rayons X, un collimateur 3 de ce rayon, des moyens de détection 4 de l'intensité du rayonnement et des moyens 5 aptes à déplacer les éléments 2,3 et 4 dans un plan parallèle au plan du corps 1 à étudier
Les moyens de détection 4 sont reliés à des moyens électroniques de traitement de signaux 6, eux même reliés à un micro-ordinateur 7
Le générateur 2 est de type connu et génère un faisceau dont l'énergie dépend du type de radiographie à effectuer
Le collimateur est aussi du type connu et permet l'obtention d'un faisceau de rayons lumineux parallèles Les moyens de détection 4 sont constitués par au moins un détecteur solide en l'occurrence une plaquette 8 en silicium dont les dimensions peuvent être de l'ordre 0,1 m de longueur et de largeur et d'épaisseur de l'ordre de 500μm.
Ce type de détecteur, montré à la figure 2, est connu pour détecter des particules chargées telles que les muons, les pions les protons... et utilisé dans ces applications de telle sorte que les dimensions caractéristiques de la fenêtre d'entrée du rayonnement soit la longueur et la largeur de la plaquette 8, soit dans l'exemple cité ci-dessus, 0,01 m2, l'interaction entre les particules et le détecteur se produisant dans l'épaisseur, faible de la plaquette 8. La surface délimitée par la longueur et la largeur de la plaquette sera appelée S1 dans la suite.
Une telle plaquette comporte une pluralité de pistes parallèles 9 de détection, disposées dans le sens de la longueur de la plaquette 8. Dans cet exemple de réalisation une électrode négative est déposée sur la face inférieure de la plaquette 8 et les pistes sont à la masse. Dans le cadre de l'invention, la plaquette est disposée de telle sorte que les dimensions caractéristiques de la fenêtre soit la largeur et l'épaisseur de la plaquette 8. Ainsi l'interaction entre le rayonnement et la plaquette peut intervenir dans toute la longueur du détecteur. Toutefois, la dimension de la fenêtre étant ainsi, considérablement réduite, toute étude du corps 1 sur une épaisseur nécessite soit un balayage sur la région considérée avec les moyens 5 soit un empilement de détecteurs, cette dernière solution étant plus onéreuse est pouvant présenter des effets de bord au niveau des interstices entre les plaquettes, les photons du rayonnement X incident pouvant ne pas interagir.
La distance d séparant chaque piste de la plaquette 8 est fonction de la résolution spatiale cliniquement nécessaire. Ainsi, dans le cadre d'une mammographie, la distance d doit être d'environ 10μm tandis que pour une étude du rachis, une distance de 500μm est suffisante.
Il est évident que la résolution spatiale du détecteur est directement proportionnelle à cette distance d. Selon le type de radiographie, la largeur de la détection varie. Elle peut être de l'ordre de 10cm pour une mammographie et de 50cm pour une radiographie pulmonaire. Dans ce dernier cas plusieurs plaquettes 8 peuvent être juxtaposées. Pour éviter les effets de bord entre deux détecteurs, il est préférable que les plaquettes 8 soient de forme trapézoïdale comme montré sur la figure 3. Ainsi, quel que soit le point d'impact des photons X , dont la direction est perpendiculaire à la fenêtre des plaquettes, l'efficacité d'absorption est sensiblement constante.
Chaque piste 9 d'une plaquette est connectée aux moyens de traitement 6 montrés sur le schéma de la figure 4. Ces moyens de traitement comportent des moyens 10 de préamplification, des moyens 11 de mise en forme de signaux, des moyens de filtrage 12, des moyens de comptage 13 et des moyens 14 de mise en mémoire des informations issues des moyens de comptage Les moyens de 10 de préamplification sont constitués par un amplificateur de charge comportant notamment une capacité 15 en parallèle avec l'amplificateur
Les moyens de filtrage 12 sont constitués par un discπminateur à fenêtre présentant un seuil haut et un seuil bas
Les moyens de comptages sont des compteurs d'impulsions et les moyens 14 sont constitués par une mémoire tampon
Chaque piste d'une plaquette 8 est connectée à un ensemble de traitement constitué par les éléments 10,11 ,12,13 et 14
Cette mémoire tampon 14 est connectée par un bus au micro-ordinateur 7
Les moyens 5 aptes à déplacer les éléments 2,3 et 4 dans un plan parallèle au plan du corps 1 à étudier sont constitués par un bâti rigide 16 sur lequel sont fixés lesdits éléments 2, 3 et 4 Ce bâti est lui même fixé sur le piston 17 d'un vérin commandé par un moteur électrique de type continu et peut coulisser autour d'iune coulisse 18 La coulisse 18 et la partie fixe du vérin sont solidaires d'un support fixe 19 Le fonctionnement du dispositif précédemment décrit est le suivant
La partie du corps 1 à étudier est disposée dans le volume délimité par le détecteur, la distance séparant ce dernier du collimateur et la hauteur de déplacement du vérin Un faisceau de rayons X est ensuite généré dans un pian 20 de détection et le vérin est ensuite actionné jusqu'à ce que toute la région du corps à étudier ait été balayée par le faisceau de rayons X
Les moyens 6 de traitement de signaux comte en temps réel les impulsions issues du détecteur et correspondantes aux interactions entre les photons X et le silicium des plaquettes L'information contenue dans chacun des compteurs associés à chacune des pistes 9, est stockée dans la mémoire tampon, lesdites informations étant lues avec un logiciel de type connu, par le micro-ordinateur 7 et affichée, en fonction de leur emplacement de détection, en nuances de gris, l'image étant sensiblement identique à celle d'une radiographie réalisée à l'aide d'un film De plus, des traitements d'image peuvent être réalisés tels que la reconnaissance de forme, ou le zoom II est évident que de nombreuses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation précédemment décrit, sans sortit du champ de l'invention Ainsi les moyens de détection peuvent être fixes tandis que le corps à étudier peut éventuellement être déplacé De même, il est tout à fait possible que le détecteur soit équipé de pistes sur les deux faces ou que la localisation du rayonnement incident soit effectuée par dérives des charges créées dans le détecteur (détecteur solide à drift). Les pistes peuvent être disposées radialement par rapport à la source et également être connectées à une électronique différente de celle proposée en remplaçant par exemple le discriminateur à fenêtre par un convertisseur analogique digital ou par plusieurs discriminateurs à fenêtre; il devient alors possible d'enregistrer une image simultanément pour plusieurs énergies du rayonnement incident. Enfin, pour diminuer les temps d'acquisition, on peut envisager d'utiliser simultanément plusieurs détecteurs où un empilement de détecteurs et d'absorbants
De plus, les moyens de l'invention peuvent s'appliquer dans de nombreux domaines comme ceux de la radiographie industrielle ou des expériences de physique fondamentale comme la diffraction, la diffusion ou l'absorption X L'invention est également applicable à la tomographie, à la scintigraphie en médecine nucléaire et en biologie à l'électrophorèse
L'utilisation de plaquette en un matériau solide semi-conducteur autre que le silicium peut aussi être envisagé Toutefois, certains présentent des difficultés de mise en oeuvre Ainsi, le germanium doit être utilisé à la température de l'azote liquide

Claims

REVENDICATIONS
1 Dispositif de mesure de l'intensité d'un faisceau de rayons X comportant au moins un élément de détection (8) en matériau semi-conducteur, caractérisé en ce que cet élément de détection à la forme d'une plaquette (8) comportant des pistes (9) espacées d'une distance d et en ce que la fenêtre d'entrée du faisceau est constituée par la tranche de la plaquette
2 Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le matériau semi- conducteur est du silicium
3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la distance d est inférieure à 500μm
4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la profondeur de détection est supérieure à 50mm
5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs éléments de détection juxtaposés et en ce que ces éléments ont une forme apte à éviter les effets de bord
6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments de détection ont la forme d'une plaquette trapézoïdale
7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif comporte des moyens de traitement qui permettent l'acquisition d'images simultanément à plusieurs énergies du rayonnement incident
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