Brevet FR2455292A1 — publié le 19801121

L'invention concerne un module scintillateur pour appareil de tomographie en rayons X ou [ . Un tel appareil est utilisé pour le diagnostic à partir d'un très grand nombre de vues élémentaires ,dont les signaux sont traités par ordinateur selon la technique "scanner". Les vues sont fournies par des scintillateurs élémentaires dont l'ensemble constitue le module en question. L'appareil peut comprendre plusieurs de ces modules disposés côte à côte. Dans ces appareils, chaque scintillateur est accolé à an élément optique, photo-multiplicateur, photodiode, etc. r qui fournit le signal en question. L'élément optique reçoit la lumière qui est émise par le scintillateur qui lui est associé,sous l'effet du rayonnement X ou y incident reçu de l'objet soumis au diagnostic, après transformation des photons incidents au sein de ce scintillateur , et émet le signal soumis au traitement par l'ordinateur. Suivant les applications, les rayons atteignant les scintillateurs sont émis par une source extérieure ayant traversé l'organe à observer,ou sont, dans le cas de la scintigraphie,les rayons } émis par l'organe lui-même, dans lequel a été injecté un traceur radioactif. L'invention concerne aussi le mode de réalisation de ces modules, ainsi que l'appareil de tomographie les incorporant. Le problème de la résolution spatiale de ces appareils a conduit à réduire de plus en plus les dimensions des détecteurs élémentaires, en diminuant les dimensions des scintillateurs et celles de leurs éléments optiques associés, ce dernier point ne présentant pas de difficultés dans le cas,notamment, des versions les plus modernes de ces appareils,Où ces éléments optiques sont des photodiodes à l'état solide; on augmente ainsi la résolution et la definition des images obtenues. Les premiers appareils utilisaient des scintillateurs découpés dans un lingot monocristal obtenu par tirage ces scintillateurs élémentaires étaient ensuite assemblés pour former le module. Le tirage des lingots, leur découpage et l'assemblage entrainaient toujours un coût assez élevé. Il faut se rendre compte,à ce propos,que le nombre de détecteurs élémentaires dans un appareil de tomographie est à l'heure actuelle déjà de quelques centaines, et qu'il tend à évoluer vers le millier, soit par exemple 22 modules de 48 scintillateurs chacun, avec dans chaque module un pas de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre d'un scintillateur au suivant. Dans d' autres versions de ces appareils, le détecteur était formé de cellules dans lesquelles était provoquée l'ionisation d'un gaz sous pression, les cloisons entre cellules servant d'électrodes pour la collecte des ions engendrés dans le gaz par le rayonnement incident. On se heurtait dans ces versions à de nombreuses difficultés, dont celle de l'espace mort entre cellules, dû à l'épaisseur des cloisons, La présente invention a pour objectif la réduction des coûts de production de ces appareils, en même temps que l'augmentation de la définition des images qu'ils permettent d'obtenir. L'invention sera mieux comprise en se rapportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent - Figure 1 : une vue d'ensemble d'un module scintillateur suivant l'invention ; - Figure 2 : une vue en coupe agrandie d'un détail du module de la figure 1 - Figure 3 : une vue analogue à la précédente d'une variante de réalisation de l'invention - Figure 4 : une vue d'ensemble d'une autre variante du module de l'invention Figure 5 :une vue de détail d'un module de ttinvention*; - Figure 6 : une vue partielle d'une autre variante du module de l'invention. - Figure 7 : une vue schématique d'un appareil de tomographie inzorporant un module scintillateur selon l'invention. On rappelle tout d'abord ci-dessous quelques unes des conditions concernant ces scintillateurs. Ils doivent présenter une épaisseur suffisante pour absorber aussi complètement que possible les rayons incidents, et la zone de séparation entre deux scintillateurs élémentaires voisins doit être aussi réduite que possible pour éviter les pertes. Le matériau du scintillateur doit être aussi transparent que possible à la lumière émise sous l'effet du rayonnement incident, de façon gu a un rayonnement donné corresponde la quantité de lumière maximale. Chaque élément doit être en outre optiquement séparé de ses voisins, de manière à éviter une diffusion latérale de lumière qui nuirait à la définition. Pour fixer les idées, on notera que ces scintillateurs se présentent couramment,dans l'état actuel de la technique, comme des parallélépipèdes rectangles avec des dimensions qui sont de 10 à 20 mm pour la longueur, de 0,5 à 1 mm pour la largeur et de 2 à 4 mm pour l'épaisseur. Dans un arrangement régulier de scintillateurs tous égaux, cela correspond à un pas, c'està-dire une distance entre lesplau médiansde deux scintillateurs successifs, peu supérieur à 0,5 à 1mm. Ces conditions sont généralement réalisées de façon satisfaisante dans les intensificateurs d'image radiologique (IIR), qui fonctionnent par émission d'électrons, ou l'épaisseur de la couche de matériau de scintillateur, iodure de césium par exemple, est limitée à quelques centaines de micromètres, 150 à 300 couramment. On pourrait donc penser à employer la même technique de réalisation des scintillateurs, c'est-àdire le dépôt sous vide de iodure de césium, ICs, sur le support froid, conduisant à une structure en aiguilles du matériau scintillateur. En réalité, cette technique ne convient pas dès qu'on veut atteindre les épaisseurs sensiblement plus élevées dont il a été question ci-dessus, de l'ordre du millimètre.Il y a lieu au contraire d'opérer avec un support chaud, pour atteindre une grande épaisseur sans formation d'aiguilles, lesquelles rendraient le scintillateur peu efficace. La séparation optique des scintillateurs entre eux reste toutefois l'une des conditions indispensables pour un fonctionnement acceptable. L'invention a pour objet un scintillateur satisfaisant à ces conditions, et une méthode permettant de l'obtenir simplement, en évitant les opérations coûteuses de taille des éléments dans un bloc et de réassemblage de ceux-ci sur un support, dont il a été question ci-dessus. La figure 1 montre une vue d'ensemble d'un module scintillateur selon l'invention sur laquelle on distingue le support 1, en aluminium, dans lequel ont été creusées des gorges 2 et déposés les scintillateurs élémentaires 4 ; le matériau de ces scintillateurs est l'iodure de césium ; dans l'exemple, ces scintillateurs élémentaires sont tous identiques. Chacun d'eux se présente sous la forme d'un parallélépipède droit à base rectangulaire. Les gorges ont 2/10 de mm de largeur et de profondeur approximativement, et sont espacées d'une distance de 0,8 mm d'axe en axe, ou pas p , des scintillateurs dont l'épaisseur e est de 4mm,et la longueur L environ 20 mm. Sur le dessin, on a représenté un support limité à 15 de ces scintillateurs élémentaires,bien que leur nombre dans un module comme celui de la figure soit généralement sensiblement supérieur, 48 couramment. Un appareil de tomographie peut comprendre une vingtaine de ces modules. Le matériau scintillateur est déposé par évaporation sur la face du support sur laquelle sont creusées les gorges,opposée à celle qui reçoit le rayonnement incident X ou T représenté par la flèche ondulée. Le matériau est contenu dans un creuset placé à l'intérieur d'une enceinte à vide et chauffé par effet Joule, par bombardement électronique ou par tout autre moyen ; le support, chauffé à une température de 3000 à 4000 C, par exemple, est maintenu en mouvement régulier devant le creuset ; ce mouvement a pour but d'homogénéiser le dépôt et de favoriser sa transparence. On constate que la croissance des scintillateurs se fait, dans ces conditions, de manière uniforme, sauf au dessus des gorges 2. La figure 2 montre,à une échelle agrandie,une portion du module de la figure 1 ainsi obtenu,vu en coupe suivant X'X. La présence des gorges 2 a pour effet une séparation optique des dépôts constituant les scintillateurs élémentaires 4, grâce A la présence d'une zone intercristalline à la jonction 5 entre deux scintillateurs successifs ; cétte zone est induite dans le milieu par les gorges 2r avec forte variation de l'indice de réfraction du milieu aux endroits de ces interfaces. Cette zone s'étend sur toute l'épaisseur du scintillateur déposé. La forte variation d'indice à la surface de séparation réfléchit la lumière et empêche'sa diffusion latérale d'un scintillateur élémentaire vers les scintillateurs voisins. Corrélativement, il se forme d'ailleurs, sur la face des scintillateurs,opposée à celle en contact avec le support, de petites dépressions 3, à la jonction entre deux scintillateurs voisins. Cette zone ne nuit en rien au bon fonctionnement du module. Le module scintillateur est donc obtenu, selon l'invention, par une seule opération, l'évaporation sous vide sur le support usiné. La lumière engendrée au sein des scintillateurs est transmise à des éléments sensibles qui peuvent être notamment, comme déjà dit, des photodiodes, composants à l'état solide, appliquées sur la face des scintillateurs 4, opposée à celle par laquelle ils reposent sur le support 2. Ces éléments délivrent un signal électrique correspondant à la lumière qu'ils reçoivent. Dans le cas de photodiodes, celles-ci sont formées dans un substrat que l'on vient appliquer sur la face libre du module. Ce substrat n'a pas été représenté sur les figures, comme ne faisant pas partie de l'invention. Il est lui-même pourvu des moyens de lecture des signaux de chacune des photodiodes, moyens qui comprennent généralement un autre support ,opposé à celui du module et à travers lequel se fait le passage des connexions des diodes vers une plaquette de circuits imprimés et un connecteur de circuits intégrés, maintenus à distance de ce support par des entretoises. Des blindages peuvent éventuellement compléter le montage pour éviter l'action directe du rayonnement incident sur les photodiodes. Le même résultat peut être obtenu par des parties en relief 20 au lieu des gorges 2, comme le montre la vue partielle en coupe de la figure 3 ; le support, également en aluminium, est usiné de façon à présenter une surépaisseur tout le long de la ligne de raccordement de deux scintillateurs élémentaires successifs. Le résultat obtenu est du même ordre quant à l'interface commune à-deux scintillateurs.Ces reliefs induisent, comme les gorges, une zone intrcristalline à cet endroit. D'autres formes de module scintillateur et leur-mode de réalisation sont également comprises dans l'invention. Toutes ces formes assurent la séparation optique des scintillateurs élémentaires. Dans une variante, des gorges sensiblement aux dimensions des scintillateurs élémentaires sont creusées dans un support transparent aux rayons X et Dans une autre forme de la même variante, les gorges sont revêtues sur leurs faces latérales d'un métal lourd, qui peut être le plomb, ou le molybdène, le tungstène . appliqué en feuille mince, par exemple, comme représenté sur le détail de la figure 5, où, pour des raisons de clarté, les proportions des divers éléments n'ont pas été respectées, et où le matériau scintillateur-emplissant les gorges, qu portent le repère 46, a été supposé enlevé, pour les mêmes raisons. Les feuilles de revêtement lourd portent le repère 45 ; leurs bords coupés sont représentés couverts de hachures. Un tel métal lourd peut aussi etre utilisé pour constituer les parois entre les gorges , ces parois sont alors serties, à leur base, sur le support. Dans une autre variante, le module est réalisé par sciage, en scintillateurs élémentaires, d'un bloc de matériau scintillateur préalablement appliqué, par collage par exemple, sur un support , les fentes créées par le sciage sont remplies d'un matériau opaque à la lumière et éventuellement aux rayons incidents. Cette variante est représentée sur la figure 6, où le support porte le repère 60, les scintillateurs élémentaires le repère 62 et l'intervalle entre eux, le repère 64. Les moyens de fixation du bloc de matériau scintillateur sur le support 60 n'ont pas été représentés , le matériau opaque, qui peut être du plomb fondu, porte le repère 65. te module scintillateur de l'invention peut d'ailleurs dans certaines variantes, celles des figures 1 à 7 notamment, être maintenu sur son support ou détaché de celui-ci avant montage dans l'appareil de tomographie. On a cité plus haut l'iodure de césium, ICs, comme matériau scintillateur. Il va sans dire que cela n'a aucun caractère limitatif, et que d'autres matériaux peuvent également convenir, tels que, par exemple, le tungstate de calcium Ca W04, de cadmium, des composés à base de terres rares, etc. De meme, en ce qui concerne le support, d'autres matériaux variés sont utilisables, comme les verres, les céramiques, le bérullium. tes appareils de tomographie incorporant le module de l'invention peuvent revétir des forme diverses. L'un de ces appareils est représenté de façon schématique sur la figure 7, qui montre notamment la position relative du bloc 100 de modules scintillateurs et d'une source de rayons X,200 irradiant l'objet à observer. L'ensemble générateur de rayons X et le bloc scintillateur, équipé de ses éléments optiques, tournent ensemble autour de l'axe X d'un cylindre 300 dans lequel est contenu le corps, un organe humain, soumis à l'observation. Le générateur de rayons X fournit un faisceau plat en forme d'éventail 400 traverssant le corps en question dans lequel il découpe une tranche d'une hauteur de l'ordre du centimètre. te bloc détecteur est disposé en arc de cercle comme le montre la figure ; l'arc de cercle en question est centré sur le générateur de rayons X. tes signaux reçus par les détecteurs du bloc sont les signaux correspondant à cette tranche du corps à observer. Au cours de la rotation, le bloc scintillateur donne plusieurs vues du corps observé, correspondant aux différentes positions angulaires relatives de la source et du bloc par rapport à ce corps. tes signaux de ces vues traitées par un ordinateur donnent la vue finale de la tranche. L'opération est répétée de tranche en tranche. La vue de la figure est une section de l'appareil par le plan perpendiculaire à l'axe X passant par le milieu d'une tranche. Elle montre deux positions I et II de ensemble générateur de rayons X, bloc scintillateur , par rapport au corps. Dans cette vue les scintillateurs élémentaires sont vus par leur petit coté et dans toute leur épaisseur (largeur 1 et épaisseur e respectivement sur la vue de la figure 2). REVENDICATIONS 1. Module scintillateur pour appareil de tomographie en rayons X ou , composé d'une série de scintillateurs élémentaires formés côteà côte sur un support transparent aux rayons incidents, caractérisé en ce que l'inter-face de deux scintillateurs élémentaires consécutifs présente une barrière s'opposant à la diffusion latérale de la lumière d'un scintillateur élémentaire à l'autre. 2. Module scintillateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le support comporte des gorges à la jonction entre deux scintillateurs élémentaires successifs. 3. Nodule scintillateurs suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le support comporte des parties en relief à la jonction entre deux scintillateurs élémentaires successifs. 4. Module scintillateur suivant la revendication i, caractérisé en ce que le support comporte des sillons séparés par des parois minces opaques aux rayons incidents, et en ce que les sillons'sont remplis d'un matériau scintillateur. 5. Module scintillateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en un bloc de matériau scintillateur recouvrant le support, et divisé en scintillateurs élémentaires par des fentes taillées dans le bloc, dans toute son épaisseur, remplies d'un matériau opaque à la lumière et aux rayons incidents. 6. Module scintillateur suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que le support est en aluminium, et en ce que le matériau constitutif des scintillateurs est l'iodure de césium, ICs. 7. Nodule scintillateur suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que le support est en alumine, A12 ' et en ce que le matériau constitutif des scintillateurs est l'iodure de césium, ICs. 8. Mode de préparation du module scintillateur suivant les revendications 2 et 6, ou 2 et 7, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations successives suivantes A - préparation d'un support sensiblement aux dimensions du module à réaliser E - creusage sur l'une des faces du-supDort d'une série de gorges parallèles entre elles dé'-,mitant sur celui-ci des bandes ; C - évaporation sous vlde sur la face du support qui porte les gorges, d'un matériau sci-rXtillavewr. 9. Mode de préparation du module scintillateur suivant les revendications 4 et 6, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations successives suivantes A - préparation d'un support sensiblement aux dimensions du module à réaliser B - creusage d'une série de sillons dans le support, séparés entre eux par des parois minces C - remplissage des sillons à l'aide d'un matériau scintillateur par tout procédé, tel que fusion ou évaporation, et, aventuel- lement, l'une ou l'autre des deux opérations a) et b) suivantes a) application, sur la face du support opposée à celle sur laquelle sont creusés les sillons, d'un collimateur en un métal lourd arrêtant les rayons incidents à l'aplomb des parois b) application sur les faces latérales des~parois, préalablement à l'opération C, de revêtements en un métal lourd arrêtant les rayons incidents. 10. Mode de préparation du module scintillateur suivant les revendications 4 et 7, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations successives suivantes A - préparation d'un support sensiblement aux dimensions du module à réaliser , le matériau du support étant chargé d'une poudre opaque à la lumière B - creusage d'une série de sillons dans le supporta séparés entre eux par des parois minces C - remplissage des sillons à l'aide d'un matériau scintillateur par tout procédé, tel que fusion ou évaporation, et éventuellement l'opération a) ci-dessous a) application, sur la face du support opposée à celle sur laquelle sont creuses les sillons, d'un collimateur en un natal lourd arretant les rayons incidents à l'aplomb des parois. il. Mode de préparation du module scintillateur suivant les revendications 5 et 6 ou 5 et 7, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations successives suivantes A - préparation d'un support sensiblement aux dimensions du module à réaliser B - préparation séparée d'un bloc de matériau scintillateur C - application du bloc sur le support D - réalisation dans le matériau scintillateur de fentes le traversant dans toute son épaisseur et délimitant des bandes dans celui-ci E - remplissage des fentes par un matériau opaque à la lumière et aux rayons incidents. 12. Mode de préparation du module scintillateur suivant les revendications 3 et 6, ou 3 et 7, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations successives suivantes A - préparation d'un support sensiblement aux dimensions du module à réaliser B - usinage du support de façon à faire apparaitre sur l'une de ses faces des parties en relief suivant des lignes délimitant des bandes parallèles C - évaporation sous vide, sur la face usinée du support, d'un matériau scintillateur. 13. Mode de préparation du module scintillateur suivant les revendications 4 et 6 ou 4 et 7, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations successives suivantes A - préparation d'un support sensiblement aux dimensions du module à réaliser B - sertissage dans le support, sur l'une de ses faces, de parois minces en un métal lourd sensiblement orientées perpendiculairement au support.; C - remplissage des espaces entre les parois à l'aide d'un matériau scintillateur, par tout procédé, tel que fusion ou évaporation,et éventuellement l'opération a) suivante a) application, sur la face du support opposée à celle sur laquelle a lieu le sertissage, d'un collimateur en un métal lourd arrêtant les rayons incidents à l'aplomb des parois. 14. Appareil de tomographie pour l'observation d'un corps par tranches successives sur toute sa hauteur, appareil notamment où ce corps est placé entre un générateur de rayons X et un bloc de modules scintillateurs se déplaçant tous deux solidairement par rotation autour de ce corps, de façon à donner de chaque tranche plusieurs vues différentes, caractérisé en ce que les modules scintillateurs en question sont des modules suivant l'une des revendications 1 à 7.