WO2022200554A1 - Optical system for reading radiochromic films and corresponding method of operation - Google Patents

Optical system for reading radiochromic films and corresponding method of operation Download PDF

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WO2022200554A1
WO2022200554A1 PCT/EP2022/057892 EP2022057892W WO2022200554A1 WO 2022200554 A1 WO2022200554 A1 WO 2022200554A1 EP 2022057892 W EP2022057892 W EP 2022057892W WO 2022200554 A1 WO2022200554 A1 WO 2022200554A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
film
led
optical system
images
radiochromic
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/057892
Other languages
French (fr)
Inventor
Julien JURCZAK
Benjamin RAPP
Robert Simcoe
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives filed Critical Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/02Dosimeters
    • G01T1/04Chemical dosimeters

Definitions

  • the present invention relates to the general field of ionizing radiation metrology.
  • a radiochromic film is a 2-dimensional dosimeter considered as an ideal detector with properties allowing it to be used for any type of application involving ionizing radiation.
  • a radiochromic film is composed of monomers which, under the action of ionizing radiation, will polymerize and create a darkening of the film, directly correlated to the amount of radiation to which it has been subjected.
  • Ionizing radiation is now widely used in many applications, such as in the medical field for example.
  • a measurement using a matrix of detectors in a phantom simulating the patient is systematically carried out and compared with the provisional calculation carried out upstream as part of a treatment plan proposed by the medical staff.
  • Another approach consists in directly obtaining the two-dimensional map of the dose distribution from the irradiation of a radiochromic film.
  • radiochromic films are of the GAFchromicTM brand, and in particular the EBT3 and EBT-XD models.
  • the use of this dosimeter is nevertheless under-exploited today. Quantification of absorption change with dose must be reliable and accurate, which is problematic when using commercial scanners as 2D image densitometers.
  • Radiochromic films are currently read with commercial photographic scanners such as those marketed under the names Epson® 10000XL, 11000XL, 12000XL, V700, V750Pro or V800.
  • the associated software is a kind of black box that often hides useful information about the digital processing applied to the images for better visual rendering.
  • optical systems each comprising a photographic scanner and its associated software, are not measuring instruments and are therefore not suitable for scientific applications.
  • the existing optical systems for reading radiochromic films can essentially be classified into three categories:
  • LDS Laser Densitometry System
  • Patent US9128053B2 and the related publication [6] describe such an LDS system which consists of the use of a laser coupled to a photodiode to perform point-by-point scanning of the radiochromic film.
  • Scanning increases the acquisition area but causes overlapping and mosaic problems. Scanning during digitization can also generate geometric distortions. Lasers are more expensive and light intensities are more difficult to control. It is difficult to ensure uniform illumination of the film when scanning the area.
  • the general object of the invention is then to meet this need at least in part.
  • the invention firstly relates to an optical system for reading a radiochromic film, comprising:
  • a light source comprising at least one light-emitting diode (LED) arranged to illuminate the radiochromic film, the emission wavelength of each LED diode being adapted to correspond to that of the absorption peak(s) ( s) principal(ux) of sensitivity of the radiochromic film,
  • LED light-emitting diode
  • a bi-telecentric lens arranged to receive the optical beam emitted by the diode(s) (LED) and having passed through the radiochromic film
  • imager is meant here and in the context of the invention, the usual technological meaning, namely any device with at least one photographic sensor which converts electromagnetic radiation from at least one LED into an analog electrical signal. This signal is then amplified, then digitized by an analog-digital converter and finally processed to obtain a digital image.
  • An imager according to the invention can be at least one photographic sensor implementing any technology. It may be a CCD sensor (acronym for “Charge-Coupled Device”) or a CMOS sensor (acronym for “Complementary Metal-Oxide-Semiconductor”).
  • the imager is an sCMOS (acronym for “scientific Complementary Metal-Oxide-Semiconductor”) imager.
  • the light source comprises at least one matrix of LED diodes.
  • the light source can have high homogeneity and high intensity, typically up to 35500 mcd per LED array.
  • one or more, in particular three, diffusing glass plates is (are) arranged above the LEDs to eliminate the hot spots of the lights emitted by the individual LEDs. The diffusing glass plates homogenize the lights into a single emission profile.
  • each LED diode has an emission length in the red, providing a quasi-monochromatic light which guarantees with the bi-telecentric lens the absence of geometric and chromatic distortions.
  • the surface treatment of the bi-telecentric lens avoids chromatic aberrations, i.e. focusing at different distances depending on the wavelength.
  • the system comprising at least one suitable current controller for each row of the LED array and a sufficient voltage supply to make the currents constant for the entire LED array.
  • the output light is constant for all the LED matrices of the light source.
  • the LEDs can be mounted in parallel with, for each row, a current controller which makes it possible to absorb voltage variations such that at the output, the intensity is constant for each row, and therefore for each LED of this row. .
  • putting one controller per row makes it possible to have a more uniform intensity of all the LEDs.
  • the imager is a monochrome camera comprising sCMOS sensors.
  • a microlens is arranged in front of each pixel of an sCMOS sensor of the camera. With microlenses, the effects of optical crosstalk are minimized.
  • the optical system comprises: - a support transparent to the wavelength of the diode(s) (LED), the support being adapted to support the radiochromic film and arranged to allow the optical beam emitted by the diode(s) (LED) to pass ,
  • the compression plate in particular made of anti-Newton glass, makes it possible to guarantee the flatness of the radiochromic film during the image.
  • anti-Newton glass is meant here and in the context of the invention a frosted glass whose surface is not perfectly smooth so as to leave a presence of air between the compression plate and the radiochromic film, preventing the formation of interference fringes called Newton's rings.
  • the system comprises an enclosure impervious to external light in which are housed at least the light source, the bi-telecentric lens, and if necessary the support with the compression plate.
  • the walls of the enclosure are made of thermally insulating material.
  • the system includes a thermal control device for controlling the temperature of the light source.
  • the thermal regulation device is advantageously a heat exchanger connected to a circulation thermostat. Such a device makes it possible to obtain chromatic and thermal stability of the light source.
  • the invention also has a method of operating the optical system as described previously, according to which the piloting of the LED diode(s) is independent of that of the camera.
  • the method comprises the following steps:
  • the film is digitized with an exposure time of a few ms and an average can be obtained by acquiring several images at a high frame rate.
  • the exposure time is managed by the user so as not to saturate the sCMOS sensor, in order to be able to measure optical densities. Indeed, a saturation of the sensor does not make it possible to know the quantity of incident light.
  • the global shutter of the sCMOS sensor needs external light control.
  • two main modes of shuttering of the sCMOS sensor can be envisaged:
  • the first consists in carrying out a line reading but ensuring that each line does not have the same quantity of light received
  • the second is that the entire surface of the sensor is exposed and read simultaneously.
  • This second mode requires flash type lighting and protection against external light. If the flash dominates the exposure and the external light is suppressed, each pixel receives the same amount of light. The reading per line as well as the different exposure times of the lines no longer have any importance, since the external light no longer penetrates.
  • the lifetime of the light source is increased because it operates only a few ms per frame.
  • the acquisition step comprises the acquisition of correction images called offset, flat and dark (respectively “offset”, “fiat” and “dark”).
  • the method comprises a pre-processing step by acquiring correction images in order to obtain reference images called master images of the film before irradiation and after irradiation.
  • the method comprises a processing of the master images of the film comprising the following steps:
  • Any organization with appropriate irradiation means and calibrated dosimetric measurement equipment can produce such a calibration curve for radiochromic films.
  • the invention essentially consists of an optical system comprising a uniform LED source, an imager, advantageously an sCMOS imager, preferably monochrome, coupled to a bi-telecentric optical lens.
  • the method of operation of the system allows the determination of the dose after irradiation of the film by measuring the two-dimensional optical density on the film.
  • calibrated neutral filters makes it possible to restore metrological traceability in optical density compared to flatbed scanners according to the state of the art.
  • the invention allows reliable measurements of the optical density of radiochromic films.
  • flatbed optical scanners according to the state of the art do not allow reliable measurements of optical densities for various reasons, including the use of incident white light, the inhomogeneity of the light source, the saturation of the sensor and internal recalibration.
  • the system according to the invention is a fully metrologically traceable instrument whose performance can be quantified in terms of uncertainties. Its performance greatly exceeds that of state-of-the-art optical flatbed scanners.
  • the system is large enough to reproduce the full size of a 6x6 cm 2 film, or even larger dimensions if the support is movable on two axes, the sCMOS imager having a resolution carefully adapted to the objective to provide a size ideal pixel range on film to capture fine detail in the exposed pattern,
  • the invention can be considered for all applications and industrial fields implementing 2D dose measurements in medical applications of ionizing radiation, as well as for the estimation of the dose to patients for the characterization of the radiation field.
  • the invention can even be implemented to reconstruct a dose in 3D, by stacking several radiochromic films alternately with slices so as to reconstitute a phantom, the reconstruction taking place by interpolation between the slices.
  • a linear accelerator, X-ray generators or isotopic sources can generate these radiation fields not exclusively.
  • a particularly interesting application of the invention is for medical physicists in radiotherapy or radiology departments and for any producer of apparatus and instruments in the medical field.
  • Figure 1 is a perspective and partially exploded view of an optical system for reading radiochromic films according to the invention.
  • Figure 2 is a longitudinal sectional view of part of the optical system according to Figure 1.
  • FIG 3 is a block diagram of the protocol for preprocessing images obtained using an optical system according to the invention.
  • FIG 4 is a block diagram of the sequence of the image processing process obtained using an optical system according to the invention.
  • FIG 5 is an illustration of a radiochromic film irradiated by a beam of photons from an optical system according to the invention. detailed description
  • Figure 1 shows a system 1 for optical reading of radiochromic films according to the invention. System 1 extends along a longitudinal axis X.
  • the system 1 comprises an enclosure 10 impermeable to external light mounted on a table 11.
  • the walls of the enclosure 10 are made of a material making it possible to suppress any external light and any parasitic reflection.
  • the walls of enclosure 10 are coated at least one thermally insulating material, in order to thermally insulate the interior of the enclosure from the external environment.
  • the walls 10 can be lined on the inside of the enclosure with black flocked paper and on the outside with aluminized polystyrene.
  • System 1 comprises a light source 2 comprising at least one light-emitting diode (LED) arranged to illuminate a radiochromic film. It can be a matrix of LEDs. This light source 2 makes it possible to obtain a uniform light, for example in the red.
  • LED light-emitting diode
  • the wavelength of each LED is chosen to coincide with the maximum sensitivity absorption peak of the radiochromic film to be read.
  • Such a source 2 is high efficiency due to the large number of LEDs it is possible to have in a matrix, which maximizes the signal-to-noise ratio and reduces the exposure time.
  • current controllers for each LED matrix are provided with a sufficiently high voltage supply to make the currents constant and therefore the light output constant for all the LED matrices.
  • the matrix of LEDs 2 is arranged inside a support 20 transparent to the wavelength of the diode(s) (LED), which is adapted to support the radiochromic film and arranged to allow the optical beam emitted to pass by diode(s) (LED) 2.
  • a compression plate 21, with an optical index close to that of the radiochromic film, is mounted to be applied against the support so as to flatten the radiochromic film.
  • This plate 21 can be made of anti-Newton glass.
  • the compression provided by the plate 21 to flatten the radiochromic film makes it possible to avoid the variation in intensity of the pixels with the curvature of the film (Callier effect).
  • a bi-telecentric lens 3 in the form of an objective is arranged directly above the support 2 to receive the optical beam emitted by the diode(s) (LED) 2 and having passed through the radiochromic film,
  • Such a lens 3 makes it possible to select the light rays almost parallel to the optical axis in the object space (radiochromic film) and the image space (sCMOS sensor). Thereby, one can have a maximum angle of incidence of the light to the sensor, typically of the order of 1.1°.
  • the coating of the lens 3 is preferably treated to avoid chromatic aberrations, since this phenomenon exists even for monochromatic light and a narrow emission peak.
  • edges of the lens 3 are blackened and a device is provided to avoid parasitic reflections.
  • An sCMOS imager 4 with a CMOS sensor is aligned with the lens 3 to receive the optical beam having passed through the latter.
  • the pixel size of a sensor can be equal to 6.5um.
  • the imager 4 is preferably cooled and regulated by the Peltier effect.
  • Each sensor pixel is preferably covered by a microlens. This increases the quantum efficiency of the collection and decreases the effect of crosstalk with neighboring pixels.
  • Such an sCMOS 4 imager is monochrome to avoid signal loss and artifacts in the so-called Bayer filter array and at high resolution, typically 6.5 ⁇ m per side (2048*2048 pixels).
  • the sensors implemented have a high dynamic range leading to a very large dynamic range of image absorption measurement.
  • an sCMOS camera has low thermal and readout noise.
  • the sCMOS imager 4 and the bi-telecentric lens 3 are fixed to a flange 11 itself fixed to a bracket 12.
  • the LED matrix light source 2 As shown in figure 1, the LED matrix light source 2, the bi-telecentric lens 3, and the support 20 with the compression plate 21 are housed inside the enclosure 10.
  • a thermal regulation device 5 is installed.
  • This device is preferably constituted by a heat exchanger connected to a circulation thermostat. With such a device 5, chromatic and thermal stability is obtained at inside source 2 of the LEDs. The temperature is adjusted to synchronize the LED emission peak with the maximum absorption peak of the radiochromic films to be read.
  • the light source 2 and the sCMOS imager 4 are independently controlled.
  • the bi-telecentricity of the lens 3 makes the imager 4 insensitive to the polarized light coming from the radiochromic film: the difference between the S- and P- polarizations depends on the angle of incidence of the polarized light.
  • System 1 operates by driving the LED diode(s) in pulsed mode and synchronizing the image acquisition with the triggering of the diode(s).
  • Pulsed mode operation allows the radiochromic film to be illuminated only during image acquisition, minimizing exposure of the film to light and enabling use of the global shutter mode of operation of an sCMOS sensor.
  • Another advantage of pulsed mode is to limit unnecessary heat generation.
  • the system 1 which has just been described allows an improvement of the reading protocol used until now thanks to the independent control of the sCMOS imager 4 and of the light source 2 by being able to change the exposure time.
  • shifted, dark, flat The acquisition of three types of complementary corrective images, called shifted, dark, flat.
  • This acquisition of images can be implemented by software produced in Python language using the libraries and the computer drivers made available by the manufacturer of the camera 4, such as for example the manufacturer PCO Imaging.
  • a preprocessing with these corrective images is carried out, in order to obtain correct quantitative information in reference images (masters).
  • This preprocessing can be implemented by software produced in Python language using different libraries freely accessible mathematical or image processing, such as: https://matplotlib.org/, https://numpy.org/, https://www.scipy.org/, https://opencv.org/ .
  • This preprocessing can help eliminate problems with lot-to-lot variation calibration of radiochromic films. Also, it compensates for the curvature of the light source, with all lights having a limited aperture area of illumination.
  • Pixel values from master images are converted to optical density after pre-processing and then corrected from calibrated neutral filters, resulting in traceable optical density radiochromic film images.
  • a double reading of each radiochromic film before and after irradiation is systematically carried out, to take into account the intrinsic variations of the dosimeter, i.e. the possible inhomogeneity of the film.
  • a sub-pixel registration based on the recognition of the four corners of the film and the calculation of a geometric transformation are carried out, which makes it possible to register the non-irradiated film and the irradiated film to subtract these recordings in a second time, the non-irradiated film irradiated being used as background noise image.
  • the registration can be a rigid registration which only requires rotation/translation operations.
  • the film has not been dimensionally transformed so a rigid registration is sufficient.
  • radiochromic films of dimensions up to 6 ⁇ 6 cm 2 .
  • a movable support By adapting a movable support (motorized) on two axes, it is possible to image films of larger dimensions per portion. The entire image of the film can then be reconstructed by concatenating the partial images acquired.
  • the matrix of LEDs is preferentially chosen to emit exclusively in the red.

Abstract

The invention relates to an optical system (1) for reading a radiochromic film, comprising: - a light source (2) comprising at least one light-emitting diode (LED) arranged to illuminate the radiochromic film, the emission wavelength of the LED being suitable for matching that of the maximum absorption peak of the radiochromic film, - a bi-telecentric lens (3) arranged to receive the optical beam which is emitted by the diode(s) (LED) and has passed through the radiochromic film, - an imager (4) optically coupled to the bi-telecentric lens.

Description

Description Description
Titre : Système optique pour la lecture de films radiochromiques et procédé de fonctionnement afférent. Title: Optical system for reading radiochromic films and related method of operation.
Domaine technique La présente invention concerne le domaine général de la métrologie des radiations ionisantes. Technical Field The present invention relates to the general field of ionizing radiation metrology.
Elle a trait plus particulièrement à la lecture des films radiochromiques. Un film radiochromique est un dosimètre à 2 dimensions considéré comme détecteur idéal avec des propriétés lui permettant d’être utilisé pour tout type d'application impliquant des rayonnements ionisants. En pratique, un film radiochromique est composé de monomères qui, sous l’action des rayonnements ionisants, vont polymériser et créer un noircissement du film, directement corrélé à la quantité de rayonnement auquel il a été soumis. It relates more particularly to the reading of radiochromic films. A radiochromic film is a 2-dimensional dosimeter considered as an ideal detector with properties allowing it to be used for any type of application involving ionizing radiation. In practice, a radiochromic film is composed of monomers which, under the action of ionizing radiation, will polymerize and create a darkening of the film, directly correlated to the amount of radiation to which it has been subjected.
Technique antérieure Prior technique
Les rayonnements ionisants sont aujourd'hui largement utilisés dans de nombreuses applications, comme par exemple dans le domaine médical. Ionizing radiation is now widely used in many applications, such as in the medical field for example.
La surveillance de la dose de rayonnement délivrée aux patients au cours de ces procédures médicales est d'une grande importance. Plus particulièrement, la délivrance de la dose lors d'un traitement de radiothérapie externe doit être préalablement contrôlée de manière personnalisée. Cette vérification est particulièrement critique dans les techniques de radiothérapie utilisant des champs d’irradiation de petite taille et des niveaux de dose élevés. Monitoring the radiation dose delivered to patients during these medical procedures is of great importance. More particularly, the delivery of the dose during an external radiotherapy treatment must be controlled beforehand in a personalized manner. This verification is particularly critical in radiotherapy techniques using small radiation fields and high dose levels.
Pour ce faire, une mesure à l'aide d’une matrice de détecteurs dans un fantôme simulant le patient est systématiquement réalisée et comparée au calcul prévisionnel réalisé en amont dans le cadre d’un plan de traitement proposé par le personnel médical. Une autre approche consiste à obtenir directement la cartographie bidimensionnelle de la distribution de dose à partir de l'irradiation d'un film radiochromique. To do this, a measurement using a matrix of detectors in a phantom simulating the patient is systematically carried out and compared with the provisional calculation carried out upstream as part of a treatment plan proposed by the medical staff. Another approach consists in directly obtaining the two-dimensional map of the dose distribution from the irradiation of a radiochromic film.
Actuellement, les films radiochromiques les plus couramment utilisés sont de la marque GAFchromic™, et en particulier les modèles EBT3 et EBT-XD. L'utilisation de ce dosimètre est néanmoins sous exploitée aujourd'hui. La quantification du changement d'absorption avec la dose doit être fiable et précis, ce qui est problématique en utilisant des scanners commerciaux en tant que densitomètres d’images en 2D. Currently, the most commonly used radiochromic films are of the GAFchromic™ brand, and in particular the EBT3 and EBT-XD models. The use of this dosimeter is nevertheless under-exploited today. Quantification of absorption change with dose must be reliable and accurate, which is problematic when using commercial scanners as 2D image densitometers.
Les films radiochromiques sont actuellement lus avec des scanners photographiques commerciaux tels que ceux commercialisés sous les dénominations Epson® 10000XL, 11000XL,12000XL, V700, V750Pro ou V800. Radiochromic films are currently read with commercial photographic scanners such as those marketed under the names Epson® 10000XL, 11000XL, 12000XL, V700, V750Pro or V800.
Un grand nombre de publications scientifiques a mis en évidence les difficultés d'utilisation, les artefacts de lecture et l'insuffisance du scanner photographique à plat pour obtenir une dosimétrie fiable et assurer la traçabilité métrologique requise pour tous les autres détecteurs dosimétriques : [1], [2], [3], [4], [5], [6] A large number of scientific publications have highlighted the difficulties of use, reading artifacts and the inadequacy of the flatbed photographic scanner to obtain reliable dosimetry and ensure the metrological traceability required for all other dosimetric detectors: [1] , [2], [3], [4], [5], [6]
Ces scanners ont été initialement développés pour des applications photographiques et ne sont pas bien adaptés à des applications scientifiques. These scanners were originally developed for photographic applications and are not well suited for scientific applications.
Les logiciels associés sont en quelque sorte des boîtes noires qui masquent souvent des informations utiles concernant le traitement numérique appliqué aux images pour un meilleur rendu visuel. The associated software is a kind of black box that often hides useful information about the digital processing applied to the images for better visual rendering.
De plus, ces systèmes optiques comprenant chacun un scanner photographique et son logiciel associé, ne sont pas des instruments de mesure et ne sont pas donc pas adaptés pour des applications scientifiques. Moreover, these optical systems, each comprising a photographic scanner and its associated software, are not measuring instruments and are therefore not suitable for scientific applications.
On peut classer essentiellement en trois catégories les systèmes optiques existants pour lire les films radiochromiques : The existing optical systems for reading radiochromic films can essentially be classified into three categories:
- les systèmes de microdensitomètre à rayons X avec caméra CCD (acronyme anglo-saxon pour «Charge-Coupled Device »), comme décrit dans le brevet US5623139; - X-ray microdensitometer systems with CCD camera (Anglo-Saxon acronym for "Charge-Coupled Device"), as described in patent US5623139;
- les scanners à plat ; - flatbed scanners;
- les systèmes de densitométrie laser (LDS acronyme anglo-saxon pour « Laser Densitometry System »). - laser densitometry systems (LDS acronym for “Laser Densitometry System”).
Le brevet US9128053B2 et la publication afférente [6] décrivent un tel système LDS qui consiste en l'utilisation d'un laser couplé à une photodiode pour effectuer un balayage point par point du film radiochromique. Patent US9128053B2 and the related publication [6] describe such an LDS system which consists of the use of a laser coupled to a photodiode to perform point-by-point scanning of the radiochromic film.
Les inventeurs ont fait l’inventaire des caractéristiques principales affichées et leurs inconvénients, synthétisés dans le tableau 1 suivant. [Tableau 1] :
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The inventors have made an inventory of the main characteristics displayed and their drawbacks, summarized in the following table 1. [Table 1]:
Figure imgf000005_0001
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Si Ton s’intéresse spécifiquement aux systèmes de densitométrie laser, le temps nécessaire élevé pour acquérir une image (2 min pour un film 5x5cm2 et une résolution de 72dpi), rend difficile la transposition en milieu hospitalier pour un usage clinique de routine. L'utilisation d'un laser fait apparaître des problèmes de moucheture, de forme et de chevauchement de la tâche. If you are specifically interested in laser densitometry systems, the high time needed to acquire an image (2 min for a 5x5cm 2 film and a resolution of 72dpi) makes it difficult to transpose it to a hospital environment for routine clinical use. The use of a laser brings up issues of speckle, shape and overlapping of the spot.
Le balayage permet d’augmenter la zone d’acquisition mais entraîne un chevauchement et des problèmes de mosaïque. Le balayage lors de la numérisation peut aussi générer des distorsions géométriques. Les lasers sont plus chers et les intensités d'éclairage sont plus difficiles à contrôler. Il est difficile d’assurer un éclairage uniforme du film lors du balayage de la zone. Scanning increases the acquisition area but causes overlapping and mosaic problems. Scanning during digitization can also generate geometric distortions. Lasers are more expensive and light intensities are more difficult to control. It is difficult to ensure uniform illumination of the film when scanning the area.
Il existe donc un besoin pour améliorer les systèmes optiques de lecture de films radiochromiques, notamment afin de pallier les inconvénients des microdensitomètres à rayons X avec caméra CCD, des scanners optiques à plats et des densitomètres laser existants. There is therefore a need to improve optical systems for reading radiochromic films, in particular in order to overcome the drawbacks of X-ray microdensitometers with CCD camera, flat optical scanners and existing laser densitometers.
Le but général de l'invention est alors de répondre au moins en partie à ce besoin. The general object of the invention is then to meet this need at least in part.
Exposé de l’invention Disclosure of Invention
Pour ce faire, l’invention a tout d’abord pour objet un système optique pour la lecture d’un film radiochromique, comprenant : To do this, the invention firstly relates to an optical system for reading a radiochromic film, comprising:
- une source lumineuse comprenant au moins une diode électroluminescente (LED) agencée pour éclairer le film radiochromique, la longueur d’onde d’émission de chaque diode LED étant adaptée pour correspondre à celle du(des) pic(s) d’absorption(s) principal (ux) de sensibilité du film radiochromique, - a light source comprising at least one light-emitting diode (LED) arranged to illuminate the radiochromic film, the emission wavelength of each LED diode being adapted to correspond to that of the absorption peak(s) ( s) principal(ux) of sensitivity of the radiochromic film,
- une lentille bi-télécentrique agencée pour recevoir le faisceau optique émis par la(les) diode(s) (LED) et ayant traversé le film radiochromique, - a bi-telecentric lens arranged to receive the optical beam emitted by the diode(s) (LED) and having passed through the radiochromic film,
- un imageur couplé optiquement à la lentille bi-télécentrique. - an imager optically coupled to the bi-telecentric lens.
Par « imageur », on entend ici et dans le cadre de l’invention, le sens technologique usuel, à savoir tout dispositif à au moins un capteur photographique qui convertit un rayonnement électromagnétique d’au moins une LED en un signal électrique analogique. Ce signal est ensuite amplifié, puis numérisé par un convertisseur analogique-numérique et enfin traité pour obtenir une image numérique. Un imageur selon l’invention peut être au moins un capteur photographique mettant en œuvre n’importe quelle technologie. Il peut s’agir d’un capteur CCD (acronyme anglais pour « Charge-Coupled Device ») ou un capteur CMOS (acronyme anglais pour « Complementary Metal-Oxide-Semiconductor »). By “imager” is meant here and in the context of the invention, the usual technological meaning, namely any device with at least one photographic sensor which converts electromagnetic radiation from at least one LED into an analog electrical signal. This signal is then amplified, then digitized by an analog-digital converter and finally processed to obtain a digital image. An imager according to the invention can be at least one photographic sensor implementing any technology. It may be a CCD sensor (acronym for “Charge-Coupled Device”) or a CMOS sensor (acronym for “Complementary Metal-Oxide-Semiconductor”).
Avantageusement, l’imageur est un imageur sCMOS (acronyme anglais pour « scientific Complementary Metal-Oxide-Semiconductor »). Advantageously, the imager is an sCMOS (acronym for “scientific Complementary Metal-Oxide-Semiconductor”) imager.
De préférence, la source lumineuse comprend au moins une matrice de diodes LED. La source lumineuse peut avoir une grande homogénéité et une intensité élevée, typiquement jusqu'à 35500 mcd par matrice de LED. En outre, une ou des, notamment trois, plaques de verre diffusant est(sont) agencée(s) au-dessus des LED pour éliminer les points chauds des lumières émises par les LEDS individuellement. Les plaques en verre diffusant homogénéisent les lumières en un seul profil d’émission. Preferably, the light source comprises at least one matrix of LED diodes. The light source can have high homogeneity and high intensity, typically up to 35500 mcd per LED array. In addition, one or more, in particular three, diffusing glass plates is (are) arranged above the LEDs to eliminate the hot spots of the lights emitted by the individual LEDs. The diffusing glass plates homogenize the lights into a single emission profile.
De préférence encore, chaque diode LED dispose d’une longueur d’émission dans le rouge, fournissant une lumière quasi-monochromatique qui garantit avec la lentille bi-télécentrique l'absence de distorsions géométriques et chromatiques. En particulier, le traitement de surface de la lentille bi-télécentrique permet d’éviter les aberrations chromatiques, i.e. la focalisation à des distances différentes selon la longueur d’onde. Preferably again, each LED diode has an emission length in the red, providing a quasi-monochromatic light which guarantees with the bi-telecentric lens the absence of geometric and chromatic distortions. In particular, the surface treatment of the bi-telecentric lens avoids chromatic aberrations, i.e. focusing at different distances depending on the wavelength.
Le système comprenant au moins un contrôleur de courant adapté pour chaque rangée de la matrice de LED et d’une alimentation en tension suffisante pour rendre les courants constants pour toute la matrice de LED. Ainsi la lumière de sortie est constante pour toutes les matrices LED de la source lumineuse. Avantageusement, les LEDs peuvent être montées en parallèle avec pour chaque rangée, un contrôleur de courant qui permet d’absorber les variations de tension telles qu’en sortie, l’intensité est constante pour chaque rangée, et donc pour chaque LED de cette rangée. En outre, le fait de mettre un contrôleur par rangée permet d’avoir une intensité de toutes les LED plus uniforme. The system comprising at least one suitable current controller for each row of the LED array and a sufficient voltage supply to make the currents constant for the entire LED array. Thus the output light is constant for all the LED matrices of the light source. Advantageously, the LEDs can be mounted in parallel with, for each row, a current controller which makes it possible to absorb voltage variations such that at the output, the intensity is constant for each row, and therefore for each LED of this row. . In addition, putting one controller per row makes it possible to have a more uniform intensity of all the LEDs.
Selon un mode de réalisation avantageux, l’imageur est une caméra monochrome comprenant des capteurs sCMOS. According to an advantageous embodiment, the imager is a monochrome camera comprising sCMOS sensors.
Selon ce mode, et une variante de réalisation avantageuse, une microlentille est agencée devant chaque pixel d’un capteur sCMOS de la caméra. Avec des microlentilles, on minimise les effets de diaphonie optique. According to this mode, and an advantageous embodiment variant, a microlens is arranged in front of each pixel of an sCMOS sensor of the camera. With microlenses, the effects of optical crosstalk are minimized.
Selon une configuration avantageuse, le système optique comprend: - un support transparent à la longueur d’onde de la(des) diodes (LED), le support étant adapté pour supporter le film radiochromique et agencé pour laisser passer le faisceau optique émis par la(les) diode(s) (LED), According to an advantageous configuration, the optical system comprises: - a support transparent to the wavelength of the diode(s) (LED), the support being adapted to support the radiochromic film and arranged to allow the optical beam emitted by the diode(s) (LED) to pass ,
- une plaque de compression d’indice optique proche de celui du film radiochromique, la plaque étant montée pour être appliquée contre le support de sorte à aplatir le film radiochromique. - a compression plate with an optical index close to that of the radiochromic film, the plate being mounted to be applied against the support so as to flatten the radiochromic film.
La plaque de compression, notamment en verre anti-Newton permet de garantir la planéité du film radiochromique lors de l'image. Par « verre anti-Newton », on entend ici et dans le cadre de l’invention un verre dépoli dont la surface n’est pas parfaitement lisse de sorte à laisser une présence d’air entre la plaque de compression et le film radiochromique, empêchant la formation de franges d’interférences dites anneaux de Newton. The compression plate, in particular made of anti-Newton glass, makes it possible to guarantee the flatness of the radiochromic film during the image. By "anti-Newton glass" is meant here and in the context of the invention a frosted glass whose surface is not perfectly smooth so as to leave a presence of air between the compression plate and the radiochromic film, preventing the formation of interference fringes called Newton's rings.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, le système comprend une enceinte étanche à la lumière extérieure dans laquelle sont logés au moins la source lumineuse, la lentille bi- télécentrique, et le cas échéant le support avec la plaque de compression. According to another advantageous embodiment, the system comprises an enclosure impervious to external light in which are housed at least the light source, the bi-telecentric lens, and if necessary the support with the compression plate.
De préférence, les parois de l’enceinte sont en matériau isolant thermiquement. Preferably, the walls of the enclosure are made of thermally insulating material.
Le système comprend un dispositif de régulation thermique pour réguler la température de la source lumineuse. The system includes a thermal control device for controlling the temperature of the light source.
Le dispositif de régulation thermique est avantageusement un échangeur de chaleur relié à un thermostat à circulation. Un tel dispositif permet d’obtenir une stabilité chromatique et thermique de la source lumineuse. The thermal regulation device is advantageously a heat exchanger connected to a circulation thermostat. Such a device makes it possible to obtain chromatic and thermal stability of the light source.
L’invention a également un procédé de fonctionnement du système optique tel que décrit précédemment, selon lequel le pilotage de la(des) diode(s) LED est indépendant de celui de la caméra. The invention also has a method of operating the optical system as described previously, according to which the piloting of the LED diode(s) is independent of that of the camera.
Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé comprend les étapes suivantes : According to an advantageous embodiment, the method comprises the following steps:
- pilotage de la(des) diode(s) LED en mode pulsé, - control of the LED diode(s) in pulsed mode,
- acquisition d’images par la caméra pendant l’éclairage du film radiochromique par la(les) diode(s) LED. - acquisition of images by the camera while the radiochromic film is illuminated by the LED diode(s).
Le film est numérisé avec un temps de pose de quelques ms et une moyenne peut être obtenue en acquérant plusieurs images à une fréquence d'images élevée. En pratique, le temps d’exposition est géré par l'utilisateur pour ne pas saturer le capteur sCMOS, pour pouvoir mesurer des densités optiques. En effet, une saturation du capteur ne permet pas de connaître la quantité de lumière incidente. The film is digitized with an exposure time of a few ms and an average can be obtained by acquiring several images at a high frame rate. In practice, the exposure time is managed by the user so as not to saturate the sCMOS sensor, in order to be able to measure optical densities. Indeed, a saturation of the sensor does not make it possible to know the quantity of incident light.
L'obturateur global du capteur sCMOS a besoin d'un contrôle externe de la lumière. Dans le cadre de l’invention, on peut envisager principalement deux modes d’obturation du capteur sCMOS : The global shutter of the sCMOS sensor needs external light control. In the context of the invention, two main modes of shuttering of the sCMOS sensor can be envisaged:
- le premier consiste à réaliser une lecture en ligne mais en faisant en sorte que chaque ligne n’a pas la même quantité de lumière reçue, - the first consists in carrying out a line reading but ensuring that each line does not have the same quantity of light received,
- le deuxième consiste en ce que l’intégralité de la surface du capteur soit exposée et lue simultanément. Ce deuxième mode nécessite un éclairage de type flash et une protection contre la lumière externe. Si le flash domine l’exposition et que la lumière externe est supprimée, chaque pixel reçoit la même quantité de lumière. La lecture par ligne ainsi que les différents temps d’exposition des lignes n’ont plus aucune importance, puisque la lumière externe ne pénètre plus. - the second is that the entire surface of the sensor is exposed and read simultaneously. This second mode requires flash type lighting and protection against external light. If the flash dominates the exposure and the external light is suppressed, each pixel receives the same amount of light. The reading per line as well as the different exposure times of the lines no longer have any importance, since the external light no longer penetrates.
Les inventeurs pensent que ce deuxième mode de synchronisation de la source lumineuse avec le capteur sCMOS en flash est préférable, avec en outre les avantages suivants : The inventors believe that this second mode of synchronizing the light source with the flash sCMOS sensor is preferable, with the following additional advantages:
- le fait de générer des puises de lumière permet de dissiper moins de chaleur que dans le cas d’une émission de lumière continue. Le refroidissement est donc plus aisé à réaliser,- the fact of generating pulses of light makes it possible to dissipate less heat than in the case of continuous light emission. Cooling is therefore easier to achieve,
- la durée de vie de la source de lumière est augmentée car elle ne fonctionne que quelques ms par image. - the lifetime of the light source is increased because it operates only a few ms per frame.
Selon une variante de réalisation avantageuse, l’étape d’acquisition comprend l’acquisition d'images de correction appelées décalées, plates et foncées (respectivement « offset », « fiat » et « dark » en anglais). According to an advantageous variant embodiment, the acquisition step comprises the acquisition of correction images called offset, flat and dark (respectively “offset”, “fiat” and “dark”).
Selon une autre variante de réalisation avantageuse, le procédé comprend une étape de prétraitement par l’acquisition d’images de correction afin d’obtenir des images de référence dites images maîtres du film avant irradiation et après irradiation. According to another advantageous embodiment variant, the method comprises a pre-processing step by acquiring correction images in order to obtain reference images called master images of the film before irradiation and after irradiation.
De préférence, le procédé comprend un traitement des images maîtres du film comprenant les étapes suivantes : Preferably, the method comprises a processing of the master images of the film comprising the following steps:
- conversion en densité optique des valeurs de pixel des images maîtres du film avant irradiation et après irradiation, - correction de la densité optique des images maîtres du film avant irradiation et après irradiation au moyen de filtres neutres étalonnés de sorte à obtenir les images du film étalonnées en densité optique, avant irradiation et après irradiation, - conversion into optical density of the pixel values of the master images of the film before irradiation and after irradiation, - correction of the optical density of the master images of the film before irradiation and after irradiation by means of calibrated neutral filters so as to obtain the images of the film calibrated in optical density, before irradiation and after irradiation,
- recalage en sub-pixel des images maîtres du film avant irradiation et après irradiation,- sub-pixel registration of the master images of the film before irradiation and after irradiation,
- soustraction des deux images du film, étalonnées en densité optique avant et après irradiation en prenant en compte l’image du film avant irradiation comme bruit de fond,- subtraction of the two images of the film, calibrated in optical density before and after irradiation, taking into account the image of the film before irradiation as background noise,
- application d’une courbe d'étalonnage aux images établie à partir de films, irradiés à des doses connues traçables à des références primaires établies, de sorte à obtenir la dosimétrie du film. - application of a calibration curve to images established from films, irradiated at known doses traceable to established primary references, so as to obtain the dosimetry of the film.
Tout organisme disposant des moyens d’irradiation appropriés et de matériel de mesure dosimétrique étalonné peut réaliser une telle courbe d’étalonnage des films radiochromiques.Any organization with appropriate irradiation means and calibrated dosimetric measurement equipment can produce such a calibration curve for radiochromic films.
C’est la réalisation d’une courbe d’étalonnage de la densité optique en fonction de la dose absorbée dans un fantôme, généralement en eau ou équivalent dans des conditions dans lesquelles la dose peut être traçable métrologiquement, et son application aux mesures ultérieures réalisées avec des films du même lot de fabrication, qui permet d’obtenir une information dosimétrique des films. It is the realization of a calibration curve of the optical density according to the dose absorbed in a phantom, generally in water or equivalent under conditions in which the dose can be traced metrologically, and its application to the subsequent measurements carried out with films from the same manufacturing batch, which makes it possible to obtain dosimetric information from the films.
Ainsi, l’invention consiste essentiellement en un système optique comprenant une source LED uniforme, un imageur, avantageusement un imageur sCMOS, de préférence monochrome, couplé à une lentille optique bi-télécentrique. Thus, the invention essentially consists of an optical system comprising a uniform LED source, an imager, advantageously an sCMOS imager, preferably monochrome, coupled to a bi-telecentric optical lens.
L’utilisation d’une lentille bi-télécentrique permet de rendre l’imageur insensible à la polarisation du film. The use of a bi-telecentric lens makes the imager insensitive to film polarization.
Le procédé de fonctionnement du système permet la détermination de la dose après l'irradiation du film en mesurant la densité optique à deux dimensions sur le film. The method of operation of the system allows the determination of the dose after irradiation of the film by measuring the two-dimensional optical density on the film.
L'utilisation de filtres neutres étalonnés permet de rétablir la traçabilité métrologique en densité optique par rapport à des scanners à plat selon l’état de l’art. Autrement dit, l’invention permet des mesures fiables de densité optique de films radiochromiques. The use of calibrated neutral filters makes it possible to restore metrological traceability in optical density compared to flatbed scanners according to the state of the art. In other words, the invention allows reliable measurements of the optical density of radiochromic films.
Par construction, les scanners optiques à plats selon l’état de l’art ne permettent pas des mesures fiables des densités optiques pour diverses raisons parmi lesquelles l'utilisation de la lumière blanche incidente, l'inhomogénéité de la source lumineuse, la saturation du capteur et le recalibrage interne. By construction, flatbed optical scanners according to the state of the art do not allow reliable measurements of optical densities for various reasons, including the use of incident white light, the inhomogeneity of the light source, the saturation of the sensor and internal recalibration.
En utilisant les mesures de doses traçables à des références primaires établies par un organisme, ainsi que les filtres neutres étalonnés, le système selon l’invention est un instrument entièrement traçable métrologiquement dont les performances peuvent être quantifiées en termes d’incertitudes. Ses performances dépassent largement celles des scanners optiques à plat selon l’état de l’art. By using dose measurements traceable to primary references established by an organization, as well as calibrated neutral filters, the system according to the invention is a fully metrologically traceable instrument whose performance can be quantified in terms of uncertainties. Its performance greatly exceeds that of state-of-the-art optical flatbed scanners.
Les avantages de l’invention sont nombreux parmi lesquels on peut citer : The advantages of the invention are numerous, among which we can cite:
- un instrument scientifique dédié, dimensionné pour la lecture de films radiochromiques, afin de disposer in fine d'une information dosimétrique fiable, tout en obtenant la double traçabilité métrologique de la densité optique et de la dose de rayonnement, - a dedicated scientific instrument, sized for reading radiochromic films, in order to ultimately have reliable dosimetric information, while obtaining double metrological traceability of the optical density and the radiation dose,
- la mise en œuvre des composants optiques du système, dont on peut contrôler précisément et indépendamment les caractéristiques permet d’éviter les artefacts de lecture connus avec les scanners à plat existants, avec des performances métrologiques rigoureusement qualifiées, - the implementation of the optical components of the system, the characteristics of which can be controlled precisely and independently, makes it possible to avoid reading artifacts known with existing flatbed scanners, with rigorously qualified metrological performance,
- le système est suffisamment grand pour reproduire toute la taille d'un film de 6x6 cm2, voire de dimensions supérieures si le support est déplaçable sur deux axes, l'imageur sCMOS ayant une résolution soigneusement adaptée à l'objectif pour fournir une taille de pixel idéale sur le film pour capturer les détails fins dans le motif exposé, - the system is large enough to reproduce the full size of a 6x6 cm 2 film, or even larger dimensions if the support is movable on two axes, the sCMOS imager having a resolution carefully adapted to the objective to provide a size ideal pixel range on film to capture fine detail in the exposed pattern,
- un instrument très stable grâce à l’ajout de contrôleurs de courant et reproductible par l’étalonnage périodique du système en densité optique, - a very stable instrument thanks to the addition of current controllers and reproducible by the periodic calibration of the system in optical density,
- le contrôle indépendant de chaque composant optique du système permet une plus grande flexibilité pour l'acquisition (séquences d'images, contrôle du temps d'exposition) et le traitement des images, - independent control of each optical component of the system allows greater flexibility for acquisition (image sequences, exposure time control) and image processing,
- une véritable quantification des incertitudes sur le résultat est réalisable, ce qui fait actuellement défaut avec les systèmes de scanners à plat selon l’état de l’art. - a real quantification of the uncertainties on the result is achievable, which is currently lacking with flatbed scanner systems according to the state of the art.
L’invention peut être envisagée pour toutes applications et domaines industriels mettant en œuvre des mesures de dose 2D dans les applications médicales des rayonnements ionisants, ainsi que pour l'estimation de la dose aux patients pour la caractérisation du champ de rayonnement. The invention can be considered for all applications and industrial fields implementing 2D dose measurements in medical applications of ionizing radiation, as well as for the estimation of the dose to patients for the characterization of the radiation field.
L’invention peut même être mise en œuvre pour reconstruire une dose en 3D, en empilant plusieurs films radiochromiques en alternance avec des tranches de façon à reconstituer un fantôme, la reconstruction ayant lieu par interpolation entre les tranches. The invention can even be implemented to reconstruct a dose in 3D, by stacking several radiochromic films alternately with slices so as to reconstitute a phantom, the reconstruction taking place by interpolation between the slices.
Par exemple, un accélérateur linéaire, des générateurs de rayons X ou des sources isotopiques peuvent générer ces champs de rayonnement non exclusivement. For example, a linear accelerator, X-ray generators or isotopic sources can generate these radiation fields not exclusively.
Une application particulièrement intéressante de l’invention est pour les physiciens médicaux des services de radiothérapie ou de radiologie et pour tout producteur d'appareils et d'instruments du domaine médical. A particularly interesting application of the invention is for medical physicists in radiotherapy or radiology departments and for any producer of apparatus and instruments in the medical field.
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes. Other advantages and characteristics will emerge better on reading the detailed description, given by way of illustration and not limitation, with reference to the following figures.
Brève description des dessins [Fig 1] la figure 1 est une vue en perspective et partiellement éclatée d’un système optique pour la lecture de films radiochromiques selon l’invention. Brief description of the drawings [Fig 1] Figure 1 is a perspective and partially exploded view of an optical system for reading radiochromic films according to the invention.
[Fig 2] la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d’une partie du système optique selon la figure 1. [Fig 2] Figure 2 is a longitudinal sectional view of part of the optical system according to Figure 1.
[Fig 3] la figure 3 est un synoptique du protocole de prétraitement des images obtenues grâce à un système optique selon l’invention. [Fig 3] Figure 3 is a block diagram of the protocol for preprocessing images obtained using an optical system according to the invention.
[Fig 4] la figure 4 est un synoptique de la séquence du processus de traitement d'images obtenues grâce à un système optique selon l’invention. [Fig 4] Figure 4 is a block diagram of the sequence of the image processing process obtained using an optical system according to the invention.
[Fig 5] la figure 5 est une illustration d’un film radiochromique irradié par un faisceau de photons d’un système optique selon l’invention. Description détaillée [Fig 5] Figure 5 is an illustration of a radiochromic film irradiated by a beam of photons from an optical system according to the invention. detailed description
Dans l’ensemble de la demande, les termes « dessus », « dessous », « haut », « bas » sont à considérer avec un système selon l’invention en configuration verticale, i.e. l’axe optique des composants est à la verticale et le film radiochromique à lire à l’horizontal sur son support. La figure 1 montre un système 1 de lecture optique de films radiochromiques selon l’invention. Le système 1 s’étend selon un axe longitudinal X. Throughout the application, the terms "top", "bottom", "top", "bottom" are to be considered with a system according to the invention in a vertical configuration, i.e. the optical axis of the components is vertical and the radiochromic film to be read horizontally on its support. Figure 1 shows a system 1 for optical reading of radiochromic films according to the invention. System 1 extends along a longitudinal axis X.
Le système 1 comprend une enceinte 10 étanche à la lumière extérieure montée sur une table 11. Ainsi, les parois de l’enceinte 10 sont réalisées dans un matériau permettant de supprimer toute lumière extérieure et toute réflexion parasite. Les parois de l’enceinte 10 sont revêtues au moins d’un matériau isolant thermiquement, afin d’isoler thermiquement l’intérieur de l’enceinte de l’environnement extérieur. Par exemple, les parois 10 peuvent être revêtues à l’intérieur de l’enceinte avec du papier floqué noir et à l’extérieur avec polystyrène aluminiséThe system 1 comprises an enclosure 10 impermeable to external light mounted on a table 11. Thus, the walls of the enclosure 10 are made of a material making it possible to suppress any external light and any parasitic reflection. The walls of enclosure 10 are coated at least one thermally insulating material, in order to thermally insulate the interior of the enclosure from the external environment. For example, the walls 10 can be lined on the inside of the enclosure with black flocked paper and on the outside with aluminized polystyrene.
Le système 1 comprend une source lumineuse 2 comprenant au moins une diode électroluminescente (LED) agencée pour éclairer un film radiochromique. Il peut s’agir d’une matrice de LED. Cette source lumineuse 2 permet d’obtenir une lumière uniforme, par exemple dans le rouge. System 1 comprises a light source 2 comprising at least one light-emitting diode (LED) arranged to illuminate a radiochromic film. It can be a matrix of LEDs. This light source 2 makes it possible to obtain a uniform light, for example in the red.
La longueur d'onde de chaque LED est choisie pour coïncider avec le pic d'absorption maximal de sensibilité du film radiochromique à lire. The wavelength of each LED is chosen to coincide with the maximum sensitivity absorption peak of the radiochromic film to be read.
Une telle source 2 est à haut rendement du fait du grand nombre de LED qu’il est possible d’avoir dans une matrice, ce qui maximise le rapport signal/bruit et réduit le temps d'exposition. Such a source 2 is high efficiency due to the large number of LEDs it is possible to have in a matrix, which maximizes the signal-to-noise ratio and reduces the exposure time.
De préférence, des contrôleurs de courant pour chaque matrice de LED sont prévus avec une alimentation en tension suffisamment élevée pour rendre les courants constants et donc la puissance lumineuse constante pour toutes les matrices LED. Preferably, current controllers for each LED matrix are provided with a sufficiently high voltage supply to make the currents constant and therefore the light output constant for all the LED matrices.
La matrice de LED 2 est agencée à l’intérieur d’un support 20 transparent à la longueur d’onde de la(des) diodes (LED), qui est adapté pour supporter le film radiochromique et agencé pour laisser passer le faisceau optique émis par la(les) diode(s) (LED) 2. The matrix of LEDs 2 is arranged inside a support 20 transparent to the wavelength of the diode(s) (LED), which is adapted to support the radiochromic film and arranged to allow the optical beam emitted to pass by diode(s) (LED) 2.
Une plaque de compression 21, d’indice optique proche de celui du film radiochromique, est montée pour être appliquée contre le support de sorte à aplatir le film radiochromique. Cette plaque 21 peut être en verre anti -Newton. La compression apportée par la plaque 21 pour aplatir le film radiochromique permet d’éviter la variation d'intensité des pixels avec la courbure du film (effet Callier). A compression plate 21, with an optical index close to that of the radiochromic film, is mounted to be applied against the support so as to flatten the radiochromic film. This plate 21 can be made of anti-Newton glass. The compression provided by the plate 21 to flatten the radiochromic film makes it possible to avoid the variation in intensity of the pixels with the curvature of the film (Callier effect).
Comme montré en figure 2, trois plaques de verre diffusant 22 sont agencées au-dessus des LED en étant maintenues dans le support 20. Ces plaques 22 permettent d’éliminer les points chauds. Une lentille bi-télécentrique 3 sous la forme d’un objectif est agencée à l’aplomb du support 2 pour recevoir le faisceau optique émis par la(les) diode(s) (LED) 2 et ayant traversé le film radiochromique, As shown in Figure 2, three diffusing glass plates 22 are arranged above the LEDs while being held in the support 20. These plates 22 make it possible to eliminate hot spots. A bi-telecentric lens 3 in the form of an objective is arranged directly above the support 2 to receive the optical beam emitted by the diode(s) (LED) 2 and having passed through the radiochromic film,
Une telle lentille 3 permet de sélectionner les rayons lumineux presque parallèles à l'axe optique dans l'espace objet (film radiochromique) et l'espace image (capteur sCMOS). Ainsi, on peut avoir un angle d'incidence maximal de la lumière au capteur, typiquement de l’ordre de 1,1 °. Such a lens 3 makes it possible to select the light rays almost parallel to the optical axis in the object space (radiochromic film) and the image space (sCMOS sensor). Thereby, one can have a maximum angle of incidence of the light to the sensor, typically of the order of 1.1°.
Le revêtement de la lentille 3 est de préférence traité pour éviter les aberrations chromatiques, car ce phénomène existe même pour une lumière monochromatique et un pic étroit d’émission. The coating of the lens 3 is preferably treated to avoid chromatic aberrations, since this phenomenon exists even for monochromatic light and a narrow emission peak.
Egalement, les bords de la lentille 3 sont noircis et on prévoit un dispositif pour éviter les reflets parasites. Also, the edges of the lens 3 are blackened and a device is provided to avoid parasitic reflections.
Un imageur sCMOS 4 à capteur CMOS est aligné avec la lentille 3 pour recevoir le faisceau optique ayant traversé celle-ci. La taille de pixel d’un capteur peut être égale à 6,5um.An sCMOS imager 4 with a CMOS sensor is aligned with the lens 3 to receive the optical beam having passed through the latter. The pixel size of a sensor can be equal to 6.5um.
L’ imageur 4 est de préférence refroidi et régulé par effet Peltier. The imager 4 is preferably cooled and regulated by the Peltier effect.
On recouvre de préférence chaque pixel de capteur par une microlentille. Cela permet d’augmenter l'efficacité quantique de la collection et diminution de l'effet de diaphonie avec les pixels voisins. Each sensor pixel is preferably covered by a microlens. This increases the quantum efficiency of the collection and decreases the effect of crosstalk with neighboring pixels.
Un tel imageur sCMOS 4 est monochrome pour éviter la perte de signal et les artefacts dans la matrice de filtres dite de Bayer et à haute résolution, typiquement de 6,5 pm par côté (2048 * 2048 pixels). Such an sCMOS 4 imager is monochrome to avoid signal loss and artifacts in the so-called Bayer filter array and at high resolution, typically 6.5 µm per side (2048*2048 pixels).
Les capteurs mis en œuvre ont une plage dynamique élevée conduisant à une très grande plage dynamique de mesure d'absorption à l'image. En outre, une caméra sCMOS présente de faibles bruits thermiques et de lecture. The sensors implemented have a high dynamic range leading to a very large dynamic range of image absorption measurement. In addition, an sCMOS camera has low thermal and readout noise.
L’imageur sCMOS 4 et la lentille bi-télécentrique 3 sont fixées à une bride 11 elle-même fixée sur une potence 12. The sCMOS imager 4 and the bi-telecentric lens 3 are fixed to a flange 11 itself fixed to a bracket 12.
Comme montré sur la figure 1, la source lumineuse 2 à matrice LED, la lentille bi- télécentrique 3, et le support 20 avec la plaque de compression 21 sont logés à l’intérieur de l’enceinte 10. As shown in figure 1, the LED matrix light source 2, the bi-telecentric lens 3, and the support 20 with the compression plate 21 are housed inside the enclosure 10.
Afin de maintenir une température constante pour la source 2 de LEDs, un dispositif de régulation thermique 5 est implanté. In order to maintain a constant temperature for the source 2 of LEDs, a thermal regulation device 5 is installed.
Ce dispositif est de préférence constitué par un échangeur de chaleur relié à un thermostat à circulation. Avec un tel dispositif 5, on obtient une stabilité chromatique et thermique à l'intérieur de la source 2 des LEDs. La température est ajustée pour synchroniser le pic d'émission LED avec le pic maximal d'absorption des films radiochromiques à lire. This device is preferably constituted by a heat exchanger connected to a circulation thermostat. With such a device 5, chromatic and thermal stability is obtained at inside source 2 of the LEDs. The temperature is adjusted to synchronize the LED emission peak with the maximum absorption peak of the radiochromic films to be read.
Le procédé de fonctionnement d’un tel système est le suivant. The method of operation of such a system is as follows.
On pilote indépendamment la source lumineuse 2 et l’imageur sCMOS 4. The light source 2 and the sCMOS imager 4 are independently controlled.
La bi-télécentricité de la lentille 3 rend l’imageur 4 insensible à la lumière polarisée provenant du film radiochromique : la différence entre les polarisations S- et P- dépend de l'angle d'incidence de la lumière polarisée. The bi-telecentricity of the lens 3 makes the imager 4 insensitive to the polarized light coming from the radiochromic film: the difference between the S- and P- polarizations depends on the angle of incidence of the polarized light.
Le système 1 fonctionne en pilotant la(les) diode(s) LED en mode pulsé et en synchronisant l'acquisition d'image avec le déclenchement de la(des) diode(s). System 1 operates by driving the LED diode(s) in pulsed mode and synchronizing the image acquisition with the triggering of the diode(s).
Le fonctionnement en mode pulsé permet d’éclairer le film radiochromique uniquement pendant l'acquisition d'image, ce qui minimise l'exposition du film à la lumière et permet l'utilisation du mode de fonctionnement avec obturateur global d’un capteur sCMOS. Pulsed mode operation allows the radiochromic film to be illuminated only during image acquisition, minimizing exposure of the film to light and enabling use of the global shutter mode of operation of an sCMOS sensor.
Un autre avantage du mode pulsé est de limiter la génération de chaleur inutile. Another advantage of pulsed mode is to limit unnecessary heat generation.
Protocole d'acquisition et de prétraitement des images: Image acquisition and preprocessing protocol:
Le système 1 qui vient d’être décrit permet une amélioration du protocole de lecture utilisé jusqu'à présent grâce au pilotage indépendant de l’imageur sCMOS 4 et de la source lumineuse 2 en étant capable de changer le temps d'exposition. The system 1 which has just been described allows an improvement of the reading protocol used until now thanks to the independent control of the sCMOS imager 4 and of the light source 2 by being able to change the exposure time.
Avec un pilotage indépendant, on peut réaliser plusieurs images à grande vitesse, réduisant ainsi l'incertitude statistique sur la quantité de dose de rayonnement mesurée par le film radiochromique. With independent driving, multiple images can be taken at high speed, thereby reducing the statistical uncertainty in the amount of radiation dose measured by the radiochromic film.
L'acquisition de trois types d'images correctives complémentaires, dites décalées, foncées, plates. Cette acquisition des images peut être mise en œuvre par un logiciel réalisé en langage python en utilisant les librairies et les pilotes informatiques mis à disposition par le fabricant de la caméra 4, comme par exemple le fabricant PCO Imaging. The acquisition of three types of complementary corrective images, called shifted, dark, flat. This acquisition of images can be implemented by software produced in Python language using the libraries and the computer drivers made available by the manufacturer of the camera 4, such as for example the manufacturer PCO Imaging.
Un prétraitement avec ces images correctives est effectué, afin d'obtenir des informations quantitatives correctes dans des images de référence (maîtres). A preprocessing with these corrective images is carried out, in order to obtain correct quantitative information in reference images (masters).
La séquence du prétraitement est expliquée à la figure 3. Ce prétraitement peut être mis en œuvre par un logiciel réalisé en langage python en utilisant différentes librairies mathématiques ou de traitement d’image librement accessibles, telles que: https://matplotlib.org/ , https://numpy.org/ , https://www.scipy.org/ , https://opencv.org/.The preprocessing sequence is explained in Figure 3. This preprocessing can be implemented by software produced in Python language using different libraries freely accessible mathematical or image processing, such as: https://matplotlib.org/, https://numpy.org/, https://www.scipy.org/, https://opencv.org/ .
Ce prétraitement peut permettre d’éliminer les problèmes avec étalonnage de variation de lot à lot des films radiochromiques. En outre, cela compense la courbure de la source d'éclairage, toutes les lumières ayant une zone d'ouverture limitée d’éclairage. This preprocessing can help eliminate problems with lot-to-lot variation calibration of radiochromic films. Also, it compensates for the curvature of the light source, with all lights having a limited aperture area of illumination.
Protocole de traitement d'images: Image processing protocol:
Les valeurs de pixel des images maîtres sont converties en densité optique après le prétraitement, puis sont corrigées à partir de filtres neutres étalonnés, ce qui génère des images de films radiochromiques à densité optique traçable. Pixel values from master images are converted to optical density after pre-processing and then corrected from calibrated neutral filters, resulting in traceable optical density radiochromic film images.
Une double lecture de chaque film radiochromique avant et après irradiation est systématiquement effectuée, pour prendre en compte des variations intrinsèques du dosimètre, c’est-à-dire l’inhomogénéité éventuelle du film. A double reading of each radiochromic film before and after irradiation is systematically carried out, to take into account the intrinsic variations of the dosimeter, i.e. the possible inhomogeneity of the film.
Un recalage sub-pixel basé sur la reconnaissance des quatre coins du film et le calcul d'une transformation géométrique sont effectués, ce qui permet de recaler le film non irradié et le film irradié pour soustraire ces enregistrements dans un second temps, le film non irradié étant utilisé comme image de bruit de fond. Le recalage peut être un recalage rigide qui ne nécessite que des opérations de rotation/translation. Ici, le film n’a pas être transformé dimensionnellement donc un recalage rigide est suffisant. L'application d’une courbe d'étalonnage aux images établie à partir de films, irradiés à des doses connues traçables à des références primaires établies, et les densités optiques mesurées avec le système optique 1 qui vient d’être décrit, permet de récupérer l’information dosimétrique. A sub-pixel registration based on the recognition of the four corners of the film and the calculation of a geometric transformation are carried out, which makes it possible to register the non-irradiated film and the irradiated film to subtract these recordings in a second time, the non-irradiated film irradiated being used as background noise image. The registration can be a rigid registration which only requires rotation/translation operations. Here, the film has not been dimensionally transformed so a rigid registration is sufficient. The application of a calibration curve to the images established from films, irradiated at known doses traceable to established primary references, and the optical densities measured with the optical system 1 which has just been described, makes it possible to recover dosimetric information.
La séquence du traitement complet est montrée à la figure 4. Un exemple de film radiochromique imagé grâce au système et au procédé de fonctionnement décrits est montré à la figure 5. The complete processing sequence is shown in Figure 4. An example of radiochromic film imaged using the described system and method of operation is shown in Figure 5.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées. D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention. The invention is not limited to the examples which have just been described; it is in particular possible to combine together characteristics of the examples illustrated within variants not illustrated. Other variants and improvements can be envisaged without departing from the scope of the invention.
Par exemple, avec un support fixe, on peut grâce au système optique qui vient d’être décrit lire des films radiochromiques de dimensions jusqu’à 6x6 cm2. En adaptant un support déplaçable (motorisé) sur deux axes, on peut imager des films de plus grandes dimensions par portion. L’image entière du film peut alors être reconstruite en concaténant les images partielles acquises. For example, with a fixed support, it is possible, thanks to the optical system which has just been described, to read radiochromic films of dimensions up to 6×6 cm 2 . By adapting a movable support (motorized) on two axes, it is possible to image films of larger dimensions per portion. The entire image of the film can then be reconstructed by concatenating the partial images acquired.
Dans l’exemple détaillé, la matrice de LEDs est choisie préférentiellement pour émettre exclusivement dans le rouge. Dans le cadre de l’invention, on peut tout-à-fait envisager d’avoir une source de lumière mixte avec des LEDs à émission dans le rouge et d’autres dans le vert correspondant aux pics d’émission d’absorption principal et secondaire des films radiochormiques de type gafehromiques. In the detailed example, the matrix of LEDs is preferentially chosen to emit exclusively in the red. In the context of the invention, it is quite possible to envisage having a mixed light source with LEDs emitting in the red and others in the green corresponding to the main absorption emission peaks and secondary of the gafehromic type radiochormic films.
Liste des références citées: List of cited references:
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Claims

Revendications Claims
1. Système optique (1) pour la lecture d’un film radiochromique, comprenant : 1. Optical system (1) for reading a radiochromic film, comprising:
- une source lumineuse (2) comprenant au moins une diode électroluminescente (LED) agencée pour éclairer le film radiochromique, la longueur d’onde d’émission de chaque diode LED étant adaptée pour correspondre à celle du(des) pic(s) d’absorption(s) principal(ux) de sensibilité du film radiochromique, - a light source (2) comprising at least one light-emitting diode (LED) arranged to illuminate the radiochromic film, the emission wavelength of each LED diode being adapted to correspond to that of the peak(s) d main sensitivity absorption(s) of the radiochromic film,
- une lentille bi-télécentrique (3) agencée pour recevoir le faisceau optique émis par la(les) diode(s) (LED) et ayant traversé le film radiochromique, - a bi-telecentric lens (3) arranged to receive the optical beam emitted by the diode(s) (LED) and having passed through the radiochromic film,
- un imageur (4) couplé optiquement à la lentille bi-télécentrique. - an imager (4) optically coupled to the bi-telecentric lens.
2. Système optique (1) selon la revendication 1, la source lumineuse comprenant au moins une matrice de diodes LED. 2. Optical system (1) according to claim 1, the light source comprising at least one matrix of LED diodes.
3. Système optique (1) selon la revendication 1 ou 2, chaque diode LED disposant d’une longueur d’émission dans le rouge. 3. Optical system (1) according to claim 1 or 2, each LED diode having an emission length in the red.
4. Système optique (1) selon la revendication 2, comprenant, au moins un contrôleur de courant adapté pour chaque rangée de la matrice de LED et d’une alimentation en tension suffisante pour rendre les courants d’alimentation constants pour toute matrice de LED.4. An optical system (1) according to claim 2, comprising, at least one current controller suitable for each row of the LED array and a voltage supply sufficient to make the supply currents constant for any LED array. .
5. Système optique (1) selon l’une des revendications précédentes, fimageur étant une caméra monochrome dite sCMOS. 5. Optical system (1) according to one of the preceding claims, the imager being a so-called sCMOS monochrome camera.
6. Système optique (1) selon la revendication 5, comprenant une microlentille agencée devant chaque pixel d’un capteur CMOS de la caméra. 6. Optical system (1) according to claim 5, comprising a microlens arranged in front of each pixel of a CMOS sensor of the camera.
7. Système optique (1) selon l’une des revendications précédentes, comprenant : 7. Optical system (1) according to one of the preceding claims, comprising:
- un support (20) transparent à la longueur d’onde de la(des) diodes (LED), le support étant adapté pour supporter le film radiochromique et agencé pour laisser passer le faisceau optique émis par la(les) diode(s) (LED), - a support (20) transparent to the wavelength of the diode(s) (LED), the support being adapted to support the radiochromic film and arranged to allow the optical beam emitted by the diode(s) to pass (LED),
- une plaque de compression (21), d’indice optique proche de celui du film radiochromique, la plaque de compression étant montée pour être appliquée contre le support de sorte à aplatir le film radiochromique. - a compression plate (21), with an optical index close to that of the radiochromic film, the compression plate being mounted to be applied against the support so as to flatten the radiochromic film.
8. Système optique (1) selon l’une des revendications précédentes, comprenant une enceinte étanche à la lumière extérieure dans laquelle sont logés au moins la source lumineuse, la lentille bi-télécentrique, et le cas échéant le support avec la plaque de compression. 8. Optical system (1) according to one of the preceding claims, comprising an enclosure impervious to external light in which are housed at least the light source, the bi-telecentric lens, and if necessary the support with the compression plate .
9. Système optique (1) selon la revendication 8, les parois de l’enceinte étant en matériau isolant thermiquement. 9. Optical system (1) according to claim 8, the walls of the enclosure being made of thermally insulating material.
10. Système optique (1) selon la revendication 8 ou 9, comprenant un dispositif de régulation thermique (5) pour réguler la température de la source lumineuse. 10. Optical system (1) according to claim 8 or 9, comprising a thermal regulation device (5) for regulating the temperature of the light source.
11. Système optique (1) selon la revendication 10, le dispositif de régulation thermique étant un échangeur de chaleur relié à un thermostat à circulation. 11. Optical system (1) according to claim 10, the thermal regulation device being a heat exchanger connected to a circulation thermostat.
12. Procédé de fonctionnement du système optique selon l’une des revendications précédentes, selon lequel le pilotage de la(des) diode(s) LED est indépendant de celui de l’imageur. 12. Method of operating the optical system according to one of the preceding claims, according to which the control of the LED diode(s) is independent of that of the imager.
13. Procédé de fonctionnement selon la revendication 12, comprenant les étapes suivantes :13. Operating method according to claim 12, comprising the following steps:
- pilotage de la(des) diode(s) LED en mode pulsé, - control of the LED diode(s) in pulsed mode,
- acquisition d’images par l’imageur pendant l’éclairage du film radiochromique par la(les) diode(s) LED. - acquisition of images by the imager during the illumination of the radiochromic film by the LED diode(s).
14. Procédé de fonctionnement selon la revendication 13, l’étape d’acquisition comprend l’acquisition d'images de correction appelées décalées, plates et foncées. 14. Method of operation according to claim 13, the acquisition step comprises the acquisition of correction images called shifted, flat and dark.
15. Procédé de fonctionnement selon la revendication 14, comprenant une étape de prétraitement afin d’obtenir des images de référence dites images maîtres du film avant irradiation et après irradiation. 15. Operating method according to claim 14, comprising a pre-processing step in order to obtain reference images called master images of the film before irradiation and after irradiation.
16. Procédé de fonctionnement selon la revendication 15, comprenant un traitement des images maîtres comprenant les étapes suivantes : 16. Operating method according to claim 15, comprising a processing of the master images comprising the following steps:
- conversion en densité optique des valeurs de pixel des images maîtres du film avant irradiation et après irradiation, - conversion into optical density of the pixel values of the master images of the film before irradiation and after irradiation,
- correction de la densité optique d’images maîtres du film avant irradiation et après irradiation au moyen de filtres neutres étalonnés, de sorte à obtenir les images du film étalonnées en densité optique, avant irradiation et après irradiation, - correction of the optical density of master images of the film before irradiation and after irradiation by means of calibrated neutral filters, so as to obtain the images of the film calibrated in optical density, before irradiation and after irradiation,
- recalage en sub-pixel des images maîtres du film avant irradiation et après irradiation, - soustraction des deux images du film étalonnées en densité optique avant et après irradiation en prenant en compte G acquisition avant irradiation comme bruit de fond,- sub-pixel registration of the master images of the film before irradiation and after irradiation, - subtraction of the two images of the film calibrated in optical density before and after irradiation taking into account G acquisition before irradiation as background noise,
- application d’une courbe d'étalonnage aux images établie à partir de films, irradiés à des doses connues traçables à des références primaires établies, de sorte à obtenir la dosimétrie du film. - application of a calibration curve to images established from films, irradiated at known doses traceable to established primary references, so as to obtain the dosimetry of the film.
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