Brevet FR2403778A1 — publié le 19790420

La présente invention concerne un dispositif d'analy se pour tomographie à rayons X ou gamma Ce dispositif s'appui que à la mesure de la densité du tissu d'un organe, dans un certain plan de coupe. Le principe de fonctionnement de ce dispositif est fondé sur la mesure de l'absorption d'un faisceau de rayons X. Cette absorption est fonction de la densite des tissus examinés. Il est connu, pour étahlir la carte de densité d'un organe, d'envoyer un faisceau de rayons X très étroit dans un plan de ce tissu et d'observer, pour chaque position du faisceau, l'absorption correspondante. Une multiplicité de balayage dans des directions croisées permet de connaitre, après un traitement numérique approprié des séries de mesures d'absorption, la valeur de l'absorption des rayons X en un point du plan de coupe consi degré, et ainsi de déterminer la densité des tissus. Parmi les dispositifs d'analyse connus, l'un d'eux est constitué d'un émetteur de rayons X et d'un récepteur associé, qui tournent autour du corps à étudier, de manière a' réaliser un balayage qui dure environ une seconde et au cours duquel une centaine de mesures d'absorption sont effectuées. Dans ce genre de dispositifs, un grand nombre de balayages est réalisé en faisant tourner l'émetteur et le récepteur associé, autour dudit organe, sur un demicercle. Ce dispositif permet de disposer au total de plusieurs dizaines de milliers de mesures. Il permet par exemple de fournir une carte du cerveau, avec une précision sur la mesure de la densité, d'environ 0,5%.Le cerseau est représenté sur une carte avec une échelle de densité d'environ 10 niveaux, mais la durée de examen est assez importante puisqu'elle est de l'ordre de 3 minutes. Pour étendre cet examen à d'autres organes que le cerveau, il est nécessaire d'utiliser des temps d'examen plus petits. En effet, s'il est relativement aisé de maintenir un crâne immobile pendant trois minutes, il est impossible d' envisa- ger des examens aussi longs pour les autres organes, car les mouvements respiratoires et abdominaux par exemple créent i91 flou qui détériore notablement la qualité des images. Il faut donc réduire le temps d'examen å quelques secondes environ. Un dispositif connu et qui permet Eéduire ce temps d'examen est décrit dans la demande de brevet n 75 19263 déposée le 12 juin 1975 au nom du même demandeur. Le dispositif décrit dans cette demande de brevet comprend une source large de rayons X envoyant tn faisceau de rayons X de large ouverture angulaire mais de faible épaisseur, sur un. organe à étudier, et une chambre d'ionisation multicellulaire composée d'une pluralité de cellules de détection.Des moyens pen--ettent de faire tourner simultanément autour d'un même point situé sensiblement au centre de l'organe à analyser, l'ensemble constitué par la source de rayons X et la chambre d'ionisation, afin d'effectuer une pluralité de balayages croisés permettant de oennaitre l'absorption, en chaque point du plan de coupe de l'organe à étudier.Dans ce dispositif, de préférence, des cloisons radiales sont disposées entre les cellules de détection. Le détecteur formé par Irenseri ble de ces cellules est centré sensiblement sur le foyer du tube émetteut de rayons X. L'ensemble tube et détecteur est animé d'un mouvement de rotation autour d'un axe qui correspond approxima- tivement au centre de l'organe à analyser. Une telle disposition permet d'analyser le corps entier avec une cadence d'environ 2.10 mesures/s.Le dispositif décrit dans ce brevet présente donc de grands avantages par rapport au dispositif précédent ; il a cependant pour inconvénient de nécessiter de grandes précautions lors de l'acquisition des mesures. En effet, c'est la même cellule de détection gui participe à la reconstitution d'une zone circulaire de rayons R dudit organe, autour de l'axe de rotation du dispositif. Si malgré l'étalonnage préalable, les cellules ont une légère différence de sensibilité, il peut en résulter des artefacts circulaires liés a' cette différence de sensibilité Il est donc indispensable dans ce cas de choisir des cellules pré sentant me même sensibilité. Afin de minimiser les inconvénients liés à ces artefacts, il est connu de réaliser In dispositif à deux mouvements, rotation et translation, de manière que toutes les cellules participent à la reconstitution d'un élément d'images. Ce genre de dispositif a pour inconvénient d'être relativement lent et de ne pouvoir être utilisé que pour l'examen du cerveau. Un autre dispositif connu, et qui permet de remédier à l'apparition de ces artifacts, consiste en un multidétecteur fixe, en forme d'anneaux, constitué d'une pluralité de cellules de detection. Ce imiltidétecteur est associé a' un tube émetteur de rayons X qui, seul, -est animé d'un mouvement. de rotation autour de la face interne du multidétecteux en anneau. Ce dis positif permet d'éliminer la présence d'artefacts circulaires tout en conservant mn seul mouvement de rotation, ce qui permet d'envisager des systèmes rapides.Un tel dispositif a cependant pour- inconvénient d'utiliser des cellules de détection constituées par des scintillateurs. Le nombre de ces scintillateurs est d'environ 600 å 800 et chacun d'eux est associé à un photomultiplicateur. Il en résulte que la construction d'un tel. dispositif est complexe et très onéreuse. De plus, il est très difficile dans ce genre de dispositif, pour des raisons technologiques et financières, d' utiliser un plus grand nombre de cellules. La résolution spatiale obtenue est par conséquent assez faible. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients, et notamment de réaliser v.n dispositif permettant d'une part d'éviter la création d'artefacts circulaires liés à la rotation simultanée de l'émetteur de rayons X et des cellules de détection et permettant d'autre part d'éviter les complications technologiques dues à l'emploi de scintillateurs et -de photomultiplicateurs. L'invention a pour objet un dispositif d'analyse pour tomographie à rayons X ou gamma, comprenant au moins une source émettant des faisceaux de ces rayons, des cellules de détection de ces rayons, disposées sur une circonférence centrée sur une ligne d'axe passant sensiblement au centre de l'organe à analyser, des moyens pour faire tourner la source à l'intérieur de la circonférence le long des cellules, autour de la ligne d'axe, en regard de l'organe, caractérisé en ce que les cellules de détection constituent une chambre d'ionisation multicellulaire et qu'elles sont associées à des moyens de mesure de la charge recueillie pendant tn temps déterminé, sous l'influence du rayon nement. Selon me caractéristique avantageuse de l'invention, la diapre d'ionisation est remplie de Xénon a' une pression supérieure à 50. atmos#beres.. Le dispositif de 11 invention allie les avantages des dispositifs qui utilisent des cellules de détection à chans bres d'ionisation, et ceux des dispositifs dans lesquels les cellules de détection sont fixes et disposées en anneau tandis que 1' émetteur accomplit un mouvement de rotation à l'intérieur de cet anneau. Le dispositif de ltinvention a une efficacité de détection très accrue et présente une épaisseur de cellule mesurée le long de la trajectoire des rayons X ou gamma, très diminnée. Avec un tel dispositif, les rayonnement détecteurs ionisent les atomes d'un gaz et les ions ainsi créés produisent un signal électrique. Selon une caractéristique particulière de l'invention, ce gaz est le xénon, comprimé à une -pression supérieure à 50 atmosphères ; cette pression est, de préférence, comprise entre 70 et 90 atmosphères. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation du dispositif de l'invention, donnée en référence aux figures schématiques annexées, sur lesquelles : - la figure 1 représente une vue en perspective d'un dispositif d'analyse à rayons X selon um premier mode de réalisation de l'inventiors ; - la figure 2 représente une sue en perspective d'un dispositif d'analyse à rayons X selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. En référence à la figure I, on a représenté, dans un premier mode de réalisation, un dispositif d'analyse à rayons X selon l'invention. Ce dispositif permet d'analyser un organe 2, selon le plan de coupe Pa Un générateur connu, représenté très schématiquement en 1 de rayon X envoie Dn faisceau de rayons X sur l'organe à étudier 2 Ce faisceau diverge à partir d'une ligne émissive étroite, parallèle à l'axe z'z et de faible hauteur, définissant le plan de coupe de l'organe.Une chambre d'ionisa~ tion 3 contenant des cellules de direction des rayons X, reçoit le faisceau de rayons X dont une partie a traversé l'organe 2 et permet de mesurer, grâce à des moyens de mesure 5, l'intensité du faisceau de rayons X pénétrant dans chacune des cellules après traversée de l'organe 2.Ces moyens de mesure 5, qui permettent de mesurer la charge recueillie par chacune des cellules pendant un temps déterminé, après traversée de l'organe a analyser par les rayons X, seront décrits plus loin en détail Les cellules de détection 4 sont disposées sur une circonférence qui est centrée sur une ligne d'axe zz' passant sensiblement au centre de l'or- gane à analyser, tandis que des moyens non représentés sont prévus pour faire tourner la source de rayons X å l'intérieur de la circonférence, le long des cellules, autour de cette ligne d'axe zz' et en regard de l'organe à analyser La chambre d'ionisation multicellulaire comprend une anode cylindrique 6 portée à une haute tension positive, délivrée par un générateur 7. Des cathodes 8 sont disposées parallèlement le long d'une surface cylindrique 9 intérieure à l'anode 6. Chaque cathode est reliée par des connexions telles que 10, au moyen de mesures 5 de la charge électrique recueillie par chacune de ces cathodes. Les cathodes ainsi que l'anode sont contenues à l'intérieur d'une enceinte tubulaire dont les faces intérieure et extérieure la, 12, ont été représentées schématiquement sur la figure. L'axe de cette enceinte correspond à l'axe ZZ' autour duquel tourne la source de rayons X 1, pendant l'analyse de l'organe 2.Cette enceinte contient un gaz ionisable tel que le Xénon à une pression supérieure à 50 atmosphères. Cette pression dans l'exemple de réalisation décrit est de l'ordre de 75 atmosphères. La source de rayons X, 1, se déplace le long de la face interne 11 de l'enceinte tubulaire. A titre indicatif, le diamètre de la face interne 11 de l'enceinte tubulaire est de 2m environ, l'épaisseur utile e est de quelques millimètres, tandis que le diamètre de l'organe 2 est de 45cm environ. Les moyens de mesure 5 des charges recueillies pendant un temps déterminé par les cathodes se trouvant en regard de la source de rayons X, 1, et de l'organe à analyser 2, comprennent un amplificateur intégrateur 13 dont la sortie 14 délivre une tension V proportionnelle à la charge recueillie par la cathode s qui se trouve, à un instant déterminé, en regard de la source de rayons X, 1. Le signal de sortie V5 obtenu à la sortie 14 de l'amplificateur intégrateur correspond à l'intégration de la charge Q développée sur une cathode, cette tension V5 est donnée par la formule : V = Q s C1 C1 est la capacité d'un condensateur 4 qui est connecté entre la sortie et l'entrée de l'amplificateur intégrateur 13.Lorsque la source 1 tourne autour de l'axe ZZ', il y a passage d'une cellule de détection à une autre , le condensateur C1 est alors déchargé par fermeture de l'interrupteur 15 de court-circuit. Il peut y avoir un amplificateur intégrateur par cellule de détection, mais une solution moins onéreuse consiste à relier l'entrée de l'amplificateur intégrateur à un circuit scrutateur 16, dont les entrées 17 sont reliées à chacune des cathodes, et dont la sortie 18 est reliée à l'entrée de l'amplificateur 13. Pendant la rotation de la source de rayons X, ce circuit scrutateur 16 permet de connecter 1' entrée de l'amplificateur 13 à la cathode correspondante. Le Xénon qui remplit enceinte contenant les cellules de détection et qui est à une pression de 75 atmosphères environ, présente la particularité intéressante de ne pas suivre la loi de Mariotte P x V = constante. Il est possible de réaliser une chambre d'ionisation de faible volume ayant une épaisseur de dé action e de quelques millimètres, et présentant une bonne efficacité de détection lorsque la pression dans cette chambre est d'environ 75 atmosphères. En effet, pour ces pressions élevées, le nombre de volumes, à température et pression normales, emprisonnés dans la chambre est d'environ 250 volumes au lieu de 75, si le gaz suivait la loi de Mariotte.Cette particularité apparait sur la figure 3 qui représente la courbe V, P des variations du volume V en fonction de la pression P pour le xénon, On obtient ainsi un milieu de détection très dense, alors que les qualités de résistance mécanique nécessaires à la réalisation des fenetres du détecteur ne sont pas augmentées sensiblement par rapport à l'art antérieur. Cette faible épaisseur des chambres d'ionisation permet d'utiliser la technique mentionnez en fntroduction , en effet, les effets de parallaxe liés à la disposition géométrique excentrée du tube générateur de rayons X, par rapport à l'anneau de détection (les surfaces limitant les cellules élémentaires de détection ne convergent plus vers la source de rayons X), sont ainsi largement minimisés. Au contraire, avec les chambres dtio- nisation habituellement utilisées et travaillant sous une pression de 30 atmosphères environ, la profondeur de détection nécessaire pour avoir une bonne efficacité du dispositif serait de plusieurs centimètres. La hauteur des électrodes dans le dispositif décrit en se référant à la figure 1, est déterminée par l'épaisseur de coupe désirée.La seule limitation que présente le dispositif de 11 invention est liée au temps de collection des ions , cette limite peut être repoussée en utilisant un champ électrique très élevé 40 à 50 kV/cm). Dans ces conditions, le temps de collection des ions peut etre de quelques millisecondes, ce qui est une valeur acceptable pour effectuer un examen tomographique du corps entier en une ou quelques secondes. L'importance de la pression du Xénon dans la chambre d'ionisation contenant du Xénon à haute pression permet de diminuer le rayonnement X de fluorescence dans le Xénon des cellules voisines et d'éviter le recours à des cloisons opaques entre cellules.Les cathodes peuvent être de faible largeur, ce qui permet d'accroitre la résolution spatiale du dispositif par accroissement du nombre de ces cathodes. En référence à la figure 2, on a représenté un autre mode de réalisation au dispositif de l'invention. Les memes élé- ments portent les mêmes références sur ces deux figures. Le dispositif qui est représenté sur la figure 2 comporte une autre pluralité de cathodes 19, disposées le long d'une surface cylindrique 20, extérieure à l'anode 6. Ces cathodes sont reliées électriquement par des connexions 21 aux cathodes 8 situées le long de la surface cylindrique 9 intérieure à 1'anode 6. Comme dans le premier mode de réalisation, l'anode 6 est portée à une haute tension positive fournie par un générateur 7. Les cathodes sont connectées aux moyens de mesures 5, décrits précédemment, par l'intermédiaire de liaisons 10.Dans ce deuxième mode de realisation du dispositif de l'invention, il y a donc une double pluralité de cathodes, situées de part et d'autre de l'anode ; cette disposition présente donc un double espace de détection et permet de réduire le temps de collection des ions à l'intérieur du dispositif. Dans la description précédente, les électrodes ont été, pour des raisons de commodité, désignées corme cathode et anode. L'invention peut toutefois être mise en oeuvre si les polarités des potentiels électriques app#liqués, sont inversées et quelle que soit la polarité des électrodes élémentaires définissant les cellules de détection et qui sont reliées aux moyens de mesure de charge. Ces deux modes de réalisation du dispositif de l'invention montrent qu'il est possible d'utiliser In très grand nombre de cellules de détection, ce qui est très avantageux par rapport aux dispositifs connus utilisant des scintillateurs associés à des photomaltiplicateurs. , En effet, de ce nombre de cellules dépend la résolution spatiale du dispositif, De plus, le dispositif de l'invention est de conception technologique plus simple et beaucoup moins onéreuse que les dispositifs à scintillateurs. Son temps de réponse est moins bref que celui de ces derniers, mais il est suffisamment faible pour envisager un examen tomographique du corps entier en un temps de l'ordre de une a' quelques secondes. Il est bien évident que, dans les deux modes de réalisation décrits, les moyens utilisés auraient pu etre remplacés par des moyens équivalents, sans sortir du cadre de cette inven tion L'utilisation du xénon a' une pression supérieure à 50 atmosphères n'est pas limitée à la réalisation de détecteurs annulaires destinés à la mise en oeuvre du procédé de tomographie avec une source de rayons X centrée On peut utiliser cette te ch- nique dans tout détecteur de rayons X ou gamma afin d'obtenir une cellule de détection de faible épaisseur. Par exemple, si on l'utilise dans un dispositif de tomographie du type décrit dans la demande de brevet n0 75 19263 citée plus haut, on peut éviter la présence de cloisons intercellulaires En effet, les interactions entre cellules voisines sont minimisées par la faible épaisseur du détecteur. Ces cloisons absorbent une partie non négligeable du rayonnement. Leur suppression a pour avantage de diminuer la dose reçue par le patient. REVENDICARIONS 1. Dispositif d'analyse pour tomographie à rayons X ou gamma, comprenant au moins une source émettant des faisceaux de ces rayons, des cellules de détection des rayons disposées sur une circonférence centrée sur une ligne d'axe passant sen siblement au centre de l'organe à analyser, des moyens pour faire tourner la source à l'intérieur de la circonférence le long des cellules autour de la ligne ax axe en regard de l'organe, caracté 'risé en ce que les cellules de détection constituent une chambre d'ionisation multicellulaire et qu'elles sont associées à des moyens de mesure de la targe recueillie pendant un temps déter miné, sous l'influence desdits rayons. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre d'ionisation est remplie de Xénon à une pression supérieure à 50 atmosphères. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre d'ionisation est remplie de xénon à une pression comprise entre 70 et 90 atmosphères. 4. Dispositif d'analyse selon l'une quelconque des revendications 1 å 3, caractérisé en ce que la chambre d' ion i- sation multicellulaire comprend une électrode cylindrique portée à une haute tension, une pluralité d'electrodes élémentaires disposées parallèlement le long d'une surface cylindrique de axe axeque l'électrode cylindrique, chaque électrode élementaire étant reliee aux moyens de mesure de la charge électrique recueillie pendant un temps déterminé, cette électrode cylindrique et cette plura lité d'électrodes élémentaires étant contenues dans une enceinte tubulaire remplie de Linon, l'axe de cette enceinte correspondant à la-ligne d'axe passant sensiblement-au centre de l'organe à analyser et ladite source se déplaçant en regard de 1' organe à analyser le long de la face interne de cette enceinte tubulaire. 5. Dispositif d'analyse selon l'une quelconque des revendications i à 3, caractérisé en ce que la chambre d' ioni- sation multicellulaire comprend une électrode cylindrique portée à une haute tension, un premier ensemble d'électrodes élémentai res disposées parallèlement le long d'une surface cylindrique intérieure à l'électrode cylindrique, un deuxieme ensemble d'élec trodes élémentaires disposées parallèlement le long d'une autre surface cylindrique extérieure à cette électrode cylindrique, les électrodes élémentaires, en regard des deux ensambles étant reliées électriquenent et chacune d'elles étant reliée aux moyens de mesure de la charge électrique recueillie pendant un temps déterminé, toutes ces électrodes étant contenues dans une enceinte tubulaire remplie de gaz détecteur, l'axe de cette enceinte correspondant a' la ligne d'axe passamt sensiblement au centre de l'organe à analyser et ladite source se déplaçant en regard de 11 organe à analyser le long de la face interne de l'enceinte tubulaire. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendicalions 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure de charge comportent un amplificateur intégrateur par cellule. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de mesure comprennent ua scrutateur branchant successivement les cathodes sur un amplificateur intégrateur de charge unique. 8. Détecteur de rayons X ou gamma; dans lequel les rayons X à détecter ionisent les atomes d'un gaz, de manière: que les ions ainsi produits créent un signal électrique de détection, caractérisé en ce que ledit gaz est du xénon comprimé à une pression supérieure à 50 atmosphères. 9. Détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pression du #non est comprise entre 70 et 90 atmosphères.