Brevet FR2459487A1 — publié le 19810109

i 2459487 La présente invention se situe dans le domaine de la médecine nucléaire et trouve son application dans l'étude du mé- tabolisme des organes, dans les examens physiologiques et dans l'aide au diagnostic. Plus précisément, elle concerne une version perfectionnée des appareils de tomographie d'émission transaxiale à positrons utilisés pour de telles applications. Les méthodes d'investigation médicale qui procèdent par tomographie d'émission transaxiale à positrons et font appel à la détection de photons gamma permettent, on le sait, de représenter la répartition d'un isotope radioactif dans un organe du corps avec un bon contraste et d'étudier des fonctions biologiques, par exemple par la mesure, en- fonction du temps, des taux de fixation de molécules jouant un rôle dans l'organisme, telles que les mo- lécules de glucose intervenant dans le métabolisme cérébral et qui, marquées par cet isotope, ont cependant du point de vue mé- tabolique le même comportement de fixation sélective qu'une molé- cule normale (les radioéléments émetteurs de positrons les plus utilisés pour le marquage des molécules sont le carbone 11, l'azote 13, l'oxygène 15 et le fluor 18). Cette représentation peut aussi conduire à une bonne localisation d'une lésion, ou encore à la localisation de régions cérébrales actives dans l'exemple cité des molécules de glucose. Le phénomène physique qui rend possible la détermination de la distribution de l'isotope radioactif émetteur de positrons est celui de l'annihilation du positron / + émis par une molécule marquée, lors de l'interaction de ce positron avec un électron e_. Cette annihilation consiste en la disparition totale des deux particules A et e et l'émission de deux photons porteurs d'une énergie de 0,511 MeV. Comme ce phénomène se produit au point d'émission du positron et dans deux directions opposées (à de faibles fluctuations statistiques près, affectant aussi bien la position de l'annihilation que l'angle formé par ces deux directions), l'émission simultanée des deux photons peut être détectée en employant la technique connue de détection par coïncidence (décrite notamment dans le brevet américain N0 3 965 353, de la colonne 2, ligne 49, à la colonne 3, ligne 29). La direction ainsi déterminée grâce à la présence d'un circuit de coïncidence temporelle passe pratiquement par le point d'émission du positron et constitue donc une information partielle relativement à l'emplacement de la molécule d'émission. 2 2459487 La répétition de telles détections dans toute la tranche de région à examiner et le traitement par ordinateur des informa- tions obtenues, à l'aide d'un des algorithmes de reconstruction habituellement utilisés, permettent la reconstruction par ordi- nateur de l'image de la tranche considérée. Les appareils de tomographie d'émission transaxiale à positrons sont pour la plupart des dispositifs à balayages mé- caniques: déplacements linéaires, rotations, mouvements de pré- cession. Ces balayages sont indispensables pour réaliser un échantillonnage complet du champ de vue de l'appareil, puisque la largeur à mi-hauteur des lignes de mesure peut être jusqu'à environ dix fois inférieure à l'entraxe des détecteurs indivi- duels (par construction, compte tenu de l'épaisseur des bottiers, blindages, et écrans). De tels appareils utilisant la méthode de détection par coïncidence temporelle rappelée ci-dessus, sont décrits par exemple dans les articles suivants de la revue "Journal of Nuclear Medicine": (1) volume 16, NI 3: Application of annihilation coincidence détection to transaxial reconstruc- tion tomography, par Phelps, Hoffman, Mullani et Ter-Pogossian (2) volume 17, NI 6: Design and performance characteristics of ai whole-body positron transaxial tomograph, par les mêmes auteurs et dans l'article "PETT IV: Design analysis and performance cha- racteristics", pages 180 à 183 de la revue IEEE Transactions on Nuclear Science,volume NS-25, N0 1, février 1978. Un appareil stationnaire utilisant des détecteurs indi- viduels répartis selon une disposition circulaire est décrit dans l'article "lAnalytical study of a high-resolution positron ring detector system for transaxial reconstruction tomography", pages 1 166 à 1 173, de la revue "Journal of Nuclear Medicine", volume 16, NI 12. Ce type d'équipement présente l'inconvénient d'une limitation du nombre de lignes de mesure parallèles, liée aux dimensions importantes des détecteurs, et donc d'une limi- tation de la résolution géométrique. Si l'on choisit au contraire, pour améliorer cette résolution géométrique, des détecteurs de faibles dimensions, ceux-ci ne présentent plus alors qu'une faible efficacité de détection à 0,511 MeV (énergie de chacun des photons à détecter). Un compromis entre l'efficacité de dé- tection et la résolution géométrique a été obtenu avec l'appareil décrit dans l'article "Performance and évaluation of the circular 3 2459487 ring transverse axial positron camera", pages 532 à 543 de la revue "IEEE Transactions on Nuclear Science", volume NS - 24, NI 1, février 1977. Mais dans cet appareil, les détecteurs sont animés d'un mouvement de balayage alternatif d'amplitude égale à la moitié de la distance qui les sépare: on retrouve donc en partie les inconvénients des équipements non stationnaires. Le but de l'invention est de s'affranchir des inconvé- nients inhérents aux dispositifs à balayage, ainsi que des li- mitations signalées ci-dessus qui contraignent à adopter, pour les appareils existant jusqu'à présent, des caractéristiques ne permettant pas d'obtenir simultanément une grande efficacité de détection et une bonne résolution spatiale; l'invention propose en effet un appareil de tomographie d'émission transaxiale à po- sitrons dans lequel ces deux qualités essentielles se trouvent réunies. L'invention concerne plus précisément un appareil de tomographie d'émission transaxiale à positrons et à reconstruction d'image par ordinateur, du type de ceux qui sont utilisés en mé- decine nucléaire dans l'étude du métabolisme des organes, dans les examens physiologiques et pour l'aide au diagnostic et dont le fonctionnement repose sur le principe de la détection des photons émis lors des annihilations de positrons par impact sur un électron, cet appareil étant constitué principalement: a) - d'un jeu de détecteurs de rayons gamma répartis selon une disposition polygonale autour de la région corporelle à examiner, b) - de circuits d'amplification des signaux délivrés par les détecteurs de rayons gamma, c) de calculateurs comprenant essentiellement des cir- cuits d'intégration et de discrimination d'énergie et prévus en sortie des détecteurs pour calculer et délivrer, à partir des signaux amplifiés, des informations de position et d'énergie re- latives à chacun des événements constitués par les détections de photons, d) de circuits de coïncidence temporelle destinés à sélectionner par émission de signaux de validation de détecteurs, parmi l'ensemble des événements détectés, seulement ceux qui résultent effectivement d'une annihilation de positron à l'in- térieur de la région examinée, et e) - d'un dispositif de traitement de données préle- vant l'ensemble des informations correspondant aux évènements validés par les circuits de coïncidence temporelle pour assurer selon un algorithme de reconstruction d'image déterminé la re- construction de l'image d'au moins une tranche de la région cor- porelle examinée; cet appareil étant par ailleurs caractérisé en ce que le jeu de détecteurs est stationnaire et composé de n disposi- tifs de détection de rayons gamma occupant chacun un côté de la structure polygonale et dans chacun desquels la localisation des évènements constitués par les détections de photons peut être effectuée de façon continue sur toute la surface de ce dispositif de détection. Le dispositif de détection à localisation continue ainsi adopté peut être une caméra à scintillations équipée d'un sys- tème de localisation qui procède par combinaison pondérée des signaux fournis par les tubes photomultiplicateurs de la caméra il peut être également une chambre à fils équipée d'un conver- tisseur d'énergie, ou encore une caméra gamma à détecteur solide. Afin que les dispositifs de détection entre lesquels aucune coïncidence temporelle n'a été observée soient aussi rapi- dement que possible disponibles pour de nouvelles détections, il est intéressant de n'effectuer le calcul des deux adresses cor- respondant à la détection d'une annihilation de positron que si l'on a justement observé une telle coïncidence. A cet effet, l'appareil selon l'invention peut être prévu de telle façon que le signal de validation éventuellement présent en sortie d'un circuit de coïncidence temporelle soit alors directement appliqué aux calculateurs de position prévus respectivement en sortie des dispositifs de détection mis en coïncidence, afin que le calcul des adresses soit mené à son terme. En l'absence de coïncidence temporelle, les calculateurs de position sont ainsi ramenés à un état zéro et n'ont pas à attendre la fin de l'intégration des impulsions de détection pour être à nouveau disponibles. Selon que la structure polygonale choisie comprend un nombre pair ou impair de côtés, le nombre n des dispositifs de détection est lui aussi pair ou, alternativement, impair et les circuits de coïncidence temporelle sont alors prévus entre chaque dispositif de détection occupant un côté quelconque de la struc- 2459487 ture polygonale considérée et soit au moins le dispositif de dé- tection occupant le côté opposé (cas d'un nombre pair), soit, al- ternativement, au moins les deux dispositifs de détection occu- pant les deux côtés opposés au côté quelconque considéré (cas d'un nombre impair). D'autres particularités et avantages de l'invention seront mieux compris en se référant à la description qui suit et aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 montre l'agencement des dispositifs de détection en une structure hexagonale régulière et les circuits qui leurs sont associés; - la figure 2 montre de façon plus détaillée l'un des dispositifs de détection; et - la figure 3 montre le système de traitement par ordi- nateur associé à la structure hexagonale comportant les disposi- tifs de détection. Dans l'exemple de réalisation représenté sur ces figures, l'appareil de tomographie d'émission selon l'invention comprend essentiellement un jeu de six dispositifs de détection 1 à 6 oc- cupant respectivement les six côtés d'une structure hexagonale régulière. Ces six dispositifs 1 à 6, rigoureusement stationnaires, comprennent chacun (voir la figure 2) un cristal scintillant CS. couplé par l'intermédiaire d'un guide optique GO. à un nombre dé- terminé, ici huit, de tubes photomultiplicateurs TPMij (l'indice i pouvant varier de 1 à 6 selon le dispositif de détection con- cerné et l'indice j variant de 1 à 8 dans le cas de huit tubes). Les sorties des huit tubes TPMij sont reliées, par l'intermédiaire de circuits d'amplification AMij, d'étages séparateurs ESij et de résistances R.., à un calculateur CA. de position et d'énergie 1J iJ qui comprend un circuit d'intégration CIi des signaux délivrés par les tubes TPMij, un circuit de combinaison pondérée CP. de ces signaux et un circuit de discrimination d'énergie CDEi éli- minant les signaux dont l'énergie est située en dehors d'une fe- nêtre d'énergie centrée sur 0,511 MeV. Aux dispositifs 1 à 6 sont associés neuf circuits de coïncidence temporelle CCT13, CCT14, CCT15, CCT24, CT 25CT CCT35, CCT36 et CCT46 (voir la figure 1, ainsi que, sur la fi- gure 2, une des liaisons L entre ces circuits de coïncidence tem- 6 2459487 porelle et les ensembles dispositif de détection-calculateur as- socié). Le double indice qui suit la référence CCT indique entre quels dispositifs de détection (de 1 à 6) sont prévus ces circuits de coincidence temporelle: par exemple, le circuit CCT24 est destiné à délivrer un signal de validation si et seulement si les dispositifs de détection 2 et 4 ont simultanément détecté un photon. Si cette condition est observée, le signal de validation émis par le circuit CCT24(dans cet exemple), et donc reçu par les dispositifs de détection 2 et 4 et leurs calculateurs respecti- vement associés CA2 et CA4 par l'intermédiaire des liaisons de type L, est appliqué directement à ces calculateurs de position CA2 et CA4des dispositifs de détection mis en coïncidence, afin que le calcul des adresses des évènements détectés soit mené à son terme; dans le cas contraire, les signaux de sortie des disposi- tifs de détection ne sont pas pris en compte. La référence ADDi désigne un additionneur dont les entrées sont reliées, par l'inter- médiaire des étages séparateurs ESi., aux sorties des amplifica- teurs AM.. et dont la sortie est reliée aux circuits de co nci- dence temporelle associés au dispositif de détection considéré. S'il y a validation, l'intégration effectuée par les circuits CI. se poursuit jusqu'à son terme; s'il n'y a pas vali- dation, l'intégration est presque immédiatement interrompue. Dans les deux cas, la décharge des circuits intégrateurs CIi doit être rapide pour que les dispositifs de détection soient dès que pos- sible disponibles pour de nouvelles détections. Cette rapidité peut être obtenue par exemple en associant à chaque circuit inté- grateur un circuit de décharge tel que ceux décrits dans la de- mande de brevet français N0 7 835 600, déposée par la Demanderesse le 18 Décembre 1978, circuits dans lesquels la décharge présente l'avantage d'être rapide, indépendante de l'amplitude du signal détecté, et complète (sans charge résiduelle qui fausserait l'in- tégration suivante). La connaissance des deux adresses calculées correspon- dant à chaque photon détecté constitue un couple d'informations utiles transmises à une mémoire-tampon M par l'intermédiaire d'un étage ECR de conversion analogique-numérique et de régulation du débit des informations. A la fin de l'ensemble de l'examen tomo- graphique, la lecture de M permet de faire le bilan des nombres de coups survenus suivant une direction déterminée quelconque et 7 2459487 de procéder à une reconstruction d'image de la tranche corporelle examinée. En effet, l'ensemble des informations ainsi accumulées dans la mémoire M au fur et à mesure que surviennent les évènements constitués par les détections de photons par annihilation de po- sitrons suivant des directions déterminées est alors utilisé par un système de traitement de signaux tel que celui de la figure 3, pour reconstruire l'image de la tranche corporelle examinée, ou les images des tranches corporelles examinées, selon un des al- gorithmes de reconstruction habituellement utilisés et qui, bien connus, ne sont donc pas décrits ici. Ce système de traitement comprend notamment un ordina- teur 21, destiné à traiter les informations fournies par la struc- ture hexagonale 20 comprenant les dispositifs de détection et l'ensemble des circuits qui leurs sont associés, et les organes périphériques suivants, à savoir une mémoire à disques 22, une mémoire à bandes magnétiques 23, une imprimante 24, un pupitre de commande 25, et une console de visualisation 26 (permettant d'é- ventuelles prises de vues photographiques). Dans l'exemple décrit en référence aux figures 1 à 3, chaque dispositif de détection 1 à 6 est une caméra à scintilla- tions et l'énergie associée aux évènements constitués par les détections de photons est donc évaluée par combinaison pondérée des signaux fournis par les tubes photomultiplicateurs TPMij de la caméra, ce calcul étant effectué pour chaque dispositif de dé- tection par le calculateur CA. qui lui est associé (voir la fi- gure 2, sur laquelle les informations d'énergie sont disponibles sur la connexion E, tandis que les informations de position sont disponibles sur la connexion P). Bien entendu la présente invention n'est pas limitée à l'exemple ici décrit et représenté, à partir duquel on peut prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention. Au lieu de caméras à scintillations, on peut en effet utiliser comme dispositifs de détection à localisation continue des détecteurs du type chambre à fils équipée d'un convertisseur d'énergie ou du type caméra gamma à détecteur solide, qui con- viennent également les uns ou les autres pour constituer la structure polygonale de détection (ou les structures polygonales de détection si l'on en associe plusieurs comme décrit plus loin). 8 2459487 On notera aussi que le choix du nombre de dispositifs de détection entre lesquels sont prévus des circuits de coïncidence temporelle dépend de plusieurs facteurs. Par exemple, si (comme dans l'exemple de réalisation décrit ci-dessus) la structure poly- gonale comprend un nombre pair de côtés, la réalisation la plus- simple consisterait à prévoir la possibilité d'une coïncidence temporelle uniquement entre dispositifs de détection appartenant à deux côtés opposés de la structure polygonale (dans le cas d'une structure hexagonale, entre les dispositifs 1 et 4, 2 et 5, 3 et 6; dans le cas d'une structure octogonale, entre les dispositifs 1 et 5, 2 et 6, 3 et 7, 4 et 8; etc...). En fait, dans la réa- lisation qui a été proposée dans l'exemple décrit plus haut, on assure une couverture complète du champ de vue de l'appareil en tenant compte aussi des annihilations de positrons détectées par coïncidence temporelle entre un dispositif de détection occupant un c8té quelconque de la structure hexagonale choisie et (au moins) les deux dispositifs de détection qui occupent dans cette struc- ture les deux c8tés situés de part et d'autre du c8té opposé au côté quelconque considéré (on peut en prévoir plus que deux si le nombre des c8tés de la structure polygonale est suffisamment élevé). Dans le cas de la structure hexagonale, les coïncidences temporelles peuvent se produire entre les dispositifs (1 et-3, 4, ), (2 et 4, 5, 6), etc... Dans le cas d'une structure polygonale à nombre impair de côtés de positrons détectées par coïncidence temporelle entre disposi- tifs de détection adjacents, pour retrancher leurs effet de ceux correspondant aux annihilations intervenues entre dispositifs de détection opposés. On peut estimer en effet que le nombre de ces coïncidences entre dispositifs adjacents, correspondant à des annihilations qui se produisent, en raison de l'emplacement re- 9 2459487 latif des dispositifs concernés, en dehors de la région ou de l'organe examiné, est sensiblement égal au nombre des coincidences temporelles aléatoires (et donc parasites) qui sont observées à l'intérieur de la région ou de l'organe examiné et qui viennent fausser le résultat final de l'examen tomographique. On dispose ainsi d'un moyen simple pour éliminer ces coïncidences temporelles perturbatrices. Dans l'exemple de réalisation décrit en référence aux figures 1 à 3, cette caractéristique avantageuse reviendrait à prévoir des possibilités de coïncidence temporelle entre les dis- positifs de détection (1 et 2, 6), (2 et 3, 1), (3 et 4, 2), etc.... de la structure hexagonale. L'appareil décrit ci-dessus et les variantes de réali- sation mentionnées permettent l'examen transaxial d'une tranche relativement mince de région corporelle ou d'organe. En juxtapo- sant plusieurs structures polygonales identiques ou en prévoyant des dispositifs bidimensionnels de détection à localisation con- tinue, on réalise un appareil qui permet la reconstruction d'images de plusieurs tranches parallèles, au lieu d'une, de la région exa- minée. Dans le cas de l'appareil à plusieurs structures polygo- nales identiques, des écrans peuvent être intercalés entre les structures afin d'assurer une bonne séparation des tranches de région distinctes examinées à l'aide de chacune de ces structures respectivement, et des circuits de coïncidence temporelle peuvent être prévus, exactement de la même façon que précédemment à l'in- térieur d'une même structure polygonale, entre dispositifs de dé- tection appartenant à des c8tés opposés ou sensiblement opposés de deux structures adjacentes,ou même appartenant à des c8tés adjacents, selon que l'on veut simplement tenir compte de toutes les coïncidences temporelles observées dans la région examinée ou, en plus, éliminer les coïncidences aléatoires parasites comme on l'a décrit précédemment. Dans la version d'appareil à dispositifs de détection bidimensionnels, on peut prévoir que la résolution géométrique sera différente dans un sens et dans l'autre, par exemple plus fine dans le sens transaxial que dans le sens axial. 2459487 REVENDICATIONS 1. Appareil de tomographie d'émission transaxiale à positrons et à reconstruction d-limage par ordinateur, du type de ceux qui sont utilisés en médecine nucléaire dans l'étude du métabolisme des organes, dans les examens physiologiques et pour l'aide au diagnostic et dont le fonctionnement repose sur le principe de la détection des photons émis lors des annihilations de positrons par impact sur un électron, cet appareil étant cons- titué principalement: a) d'un jeu de détecteurs de rayons gamma répartis selon une disposition polygonale autour de la région corporelle à examiner, b) de circuits d'amplification des signaux délivrés par les détecteurs de rayons gamma, c) de calculateurs comprenant essentiellement des circuits d'intégration et de discrimination d'énergie et prévus en sortie des détecteurs pour calculer et délivrer, à partir des signaux amplifiés, des informations de position et d'énergie re- latives à chacun des évènements constitués par les détections de photons, d) de circuits de coïncidence temporelle destinés à sélectionner par émission de signaux de validation de détecteurs, parmi l'ensemble des événements détectés, seulement ceux qui résultent effectivement d'une annihilation de positron à l'inté- rieur de la région examinée, et e) d'un dispositif de traitement de données prélevant l'ensemble des informations correspondant aux événements validés par les circuits de coïncidence temporelle pour assurer selon un algorithme de reconstruction d'image déterminé la reconstruction de l'image d'au moins une tranche de la région corporelle exa- minée; cet appareil étant par ailleurs caractérisé en ce que le jeu de détecteurs est stationnaire et composé de n dispositifs de détection de rayons gamma occupant chacun un c8té de la struc- ture polygonale et dans chacun desquels la localisation des évè- nements constitués par les détections de photons peut être ef- fectuée de façon continue sur toute la surface de ce dispositif de détection. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce il 2459487 que chaque dispositif de détection à localisation continue des évènements est une caméra à scintillations équipée d'un système de localisation par combinaison pondérée des signaux fournis par les tubes photomultiplicateurs de la caméra. 3. Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque dispositif de détection à localisation continue des évènements est une chambre à fils équipée d'un convertisseur d'énergie. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque dispositif de détection à localisation continue des évènements est une caméra gamma à détecteur solide. 5. Appareil selon l'une des revendications 2 à 4, carac- térisé en ce que chaque signal de validation présent en sortie d'un circuit de coïncidence temporelle est directement appliqué aux calculateurs prévus respectivement en sortie des dispositifs de détection mis en coïncidence par ce circuit. 6. Appareil selon l'une des revendications 2 à 5, carac- térisé en ce que le nombre n des dispositifs de détection occu- pant chacun un c8té de la structure polygonale est pair et en ce que les circuits de coïncidence temporelle sont prévus entre chaque dispositif de détection occupant un côté quelconque de cette structure et au moins le dispositif de détection qui, dans cette structure, occupe le c8té opposé au c8té quelconque consi- déré. 7. Appareil selon l'une des revendications 2 à 5, ca- ractérisé en ce que le nombre n des dispositifs de détection oc- cupant chacun un c8té de la structure polygonale est impair et en ce que les circuits de coïncidence temporelle sont prévus entre chaque dispositif de détection occupant un côté quelconque de cette structure et au moins les deux dispositifs de détection' qui, dans cette structure, occupent les deux c8tés opposés au c8té quelconque considéré. 8. Appareil selon l'une des revendications 1 à 7, ca- ractérisé en ce que le jeu de détecteurs est composé de n dispo- sitifs de détection bidimensionnels permettant d'effectuer la reconstruction d'images de plusieurs tranches de la région exa- minée. 9. Appareil selon l'une des revendications 1 à 7,carac- térisé en ce qu'il comprend plusieurs structures polygonales pa- 12 2459487 rallèles juxtaposées. 10. Appareil-selon la revendication 9, caractérisé en ce que des écrans sont intercalés entre les structures polygo- nales afin d'assurer la séparation des tranches de région dis- tinctes examinées à l'aide de chacune de ces structures. i1. Appareil selon la revendication 9 si elle dépend de la revendication 6, caractérisé en ce que des circuits de coin- cidence temporelle sont également prévus entre chaque dispositif de détection occupant un c8té quelconque de l'une quelconque des structures polygonales et au moins le dispositif de détection qui, dans les structures situées de part et d'autre de la struc- ture polygonale quelconque considérée, occupe le côté opposé au c8té quelconque considéré. 12. Appareil selon la revendication 9 si elle dépend de la revendication 7, caractérisé en ce que des circuits de coin- cidence temporelle sont également prévus entre chaque dispositif de détection occupant un côté quelconque de l'une quelconque des structures polygonales et au moins les deux dispositifs de dé- tection qui, dans les structures situées de part et d'autre de la structure polygonale quelconque considérée, occupent les deux c8tés opposés au côté quelconque considéré. -