Brevet FR2459488A1 — publié le 19810109

La présente invention concerne d'une façon géné- rale la tomographie par émission de positons et elle a trait plus particulièrement à des appareils qui utilisent un faisceau de détecteurs à scintillation pour détecter le rayonnement d'annihi- lation produit par désintégration de positons et pour utiliser cette information afin de reconstruire une image de la distribution des isotopes d'émission de positons dans un corps. La tomographie par émission de positons constitue une technique permettant de mesurer la concentration d'un isotope émetteur de positons dans un plan de section droite d'un corps. Normalement>l'isotope est utilisé pour marquer une substance qui circule avec le sang et qui peut être absorbée dans certains tissus. Cette technique permet de déterminer la concentration réelle dans le-plan d'examen ou tranche si le dispositif est correctement étalonné. Certains isotopes se désintègrent par émission d'une particule chargée positivement et ayant la même masse que l'électron (positon)et le neutrino provenant du noyau. Dans ce processus,un des protons du noyau devient un neutron de sorte que son numéro atomique diminue tandis que son poids atomique reste constant. Ce positon est éjecté avec une énergie cinétique pouvant atteindre 2 MeV en fonction de l' isotope et il perd cette énergie en entrant en collision lorsqu'il se déplace sur une distance pouvant atteindre quelques millimètres dans l'eau. Lorsqu'il a atteint un certain niveau d'énergie thermique,il agit sur un électron et il en résulte une annihilation mutuelle des deux par- ticules. La masse restante des deux particules est transformée en deux rayons gamma de 511 keV qui sont émis suivant un angle de ',en considérant les coordonnées du "centre de masse" des particules originelles. Les deux rayons gamma peuvent être détectés par des dispositifs appropriés. Si ces dispositifs mesurent l'é- nergie des rayons gamma à environ 511 keV et enregistrent cette énergie presque simultanément,on peut supposer que l'origine du rayonnement est située sur une ligne droite reliant les deux détecteurs. On peut utiliser plusieurs détecteurs dans un agence- ment de manière à pouvoir obtenir des images d'un grand nombre d'événements en coïncidence pendant le même intervalle de temps. Ensuitel'information fournie par ces détecteurs est traitée par un ordinateur utilisant des techniques de reconstruction d'image en vue de définir la zone de distribution de l'isotope émetteur de positons. On va maintenir définir les composants d'un appareil d'examen avec formation d'image. Cet appareil d'examen opérant avec un rayonnement d'annihilationcb positons se compose des parties fondamentales suivantes: (1) un certain nombre de détecteurs qui sont répartis suivant un motif géométrique précis. Ces détecteurs sont normalement des détecteurs à scintillation placés dans un ou plusieurs plans et ils sont normalement répartis suivant un motif polygonal ou bien sur la circonférence d'un cercle. Des détecteurs à scintilla- tion émettent un éclair lumineux à chaque fois qu'ils absorbent un rayonnement gamma qui peut ou non résulter de l'annihilation mutuel- le d'un positon et d'un électron. L'intensité de l'éclair lumineux est proportionnelle à l'énergie du rayonnement gamma. (2) Le dispositif utilisant des détecteurs à scintillation doit contenir un moyen de transformation des éclairs lumineux en des impulsions de charge électrique dont l'amplitude est proportion- nelle à l'intensité lumineuse. Il peut s'agir d'un photomultipli- cateur ou d'un dispositif analogue0 (3) Le dispositif doit comporter un moyen pour déterminer que toute impulsion de charge peut résulter d'un rayon gamma dont l'énergie est approximativement équivalente à la masse de l'é- lectron au repos (511 keV). (4) Le dispositif doit comporter un circuit électronique pou- vant déterminer que deux,et seulement deuxedétecteurs ont chatun enregistré des rayons gamma d'une énergie appropriée dans un court intervalle de temps (temps de résolution de coïncidence) On dit que ces détecteurs ont enregistré un "événement de coînci- dence". (5) Le dispositif doit comporter un circuit électrique qui détermi- neparmi les nombreuses combinaisons possibles de détecteurs,les deux détecteurs qui ont enregistré ce qu'on appell4L"'événement de co!ncidence'. (6) Le dispositif doit comporter une mémoire dans laquelle il peut enregistrer combien de fois chaque paire de détecteurs a enregistré un "événement de co!ncidence'" La mémoire peut faire partie de la mémoire à accès aléatoire d'un ordinateur d'utilisa- tion générale. (7) Le dispositif doit utiliser un algorithme par l'intermédiaire duquel l'information se trouvant dans la mémoire peut être transformée en une image de la distribution de l'annihilation de positons dans une section droite entourée par les détecteurs. La séquence de phases définie par cet algorithie peut être programmée dans un ordinateur d'utilisation générale. En conséquence,l'invention a pour objet de fournir un appareil-d'examen avec formation d'image par annihila- tion de positons qui a une efficacité supérieure à celle des appa- reils existants de sa catégorie. L'invention a également pour objet: d'empêcher des rayons gamma,pénétrant dans un détecteur donné et qui ne sont pas absorbés à cause de la capaci- té imparfaite d'arrêt du détecteur,d'atteindre un autre détec- teur,de manière que la totalité ou une partie de l'énergie des rayons gamma soit dissipée dans un second détecteur; d'augmenter l'efficacité des détecteurs indivi- 39 duels d'un appareil d'examen avec formation d'image par annihila- tion de positons pour un rayonnement qui n'arrive pas perpendi- culairement sur la face des détecteurs. Puisque des détecteurs peuvent se trouver en coîncidence,la majeure partie du rayonnement arrivant sur les détecteurs n'a pas un angle d'incidence égal à mais un angle sensiblement différent de cette valeur; de permettre la disposition d'objets métalliques lourds entre les détecteurs,dans un appareil opérant par annihila- tion de positons, de façon à réduire les largeurs apparentes (ouvertures fonctionnelles) des détecteurs,lesdits objets,tout en réduisant l'efficacité des détecteurs individuels,diminuant leurs ouvertures fonctionnelles en permettant une augmentation ultérieure de la résolution spatiale. Conformément à la présente invention: -les détecteurs sont disposés dans des plans et répartis sur des cercles communs; -les détecteurs peuvent avoir en principe un profil trapézoldal,la petite face du volume trapézoïdal étant située sur un cercle s'étendant autour du corps en train d'être examiné.La face extérieure du volume trapézo!dal,qui est la plus grande,est en contact optique avec la face d'un tube photomultiplicateur associé ou d'un autre appareil qui peut transformer de la lumière en une impulsion électrique; 23 -les détecteurs sont formés de germanate de bismuth, c'est-à-dire d'un cristal à scintillation dense,qui est approximati- vement 2,5 fois plus efficace que des cristaux d'iodure de sodium; -les cristaux des détecteurs en germanaee de bismuth sont séparés par des séparateurs en tungstène qui diminuent la probabilité de pénétration de rayons gamma provenant d'un détec- teur dans l'autre; -on peut encore modifier la forme des cristaux de détecteurs en taillant à 45 les coins de la face avant des détec- teurs afin de donner à la partie avant du détecteur un profil lé- gèrement pointu, -on peut interposer entre les parties avant des détecteurs un tampon en métal lourd en forme de losange qui peut être enlevé à volonté. La fonction de ce tampon est de modifier l'ouverture fonctionnelle des détecteurs,en permettant d'obtenir un compromis entre un haut rendement et une grande résolution spatiale; -la disposition des objets métalliques lourds précités et leur forme sont choisies de façon à ne pas altérer l'intensité du rayonnement incident pour des angles allant jusqu'à par rapport à la perpendiculaire à la face avant; -on prévoit un détecteur à scintillation utilisa- ble pour la détection d'un rayonnement d'annihilation dans un processus de désintégration de positons,ledit détecteur étant caractérisé en ce qu'il comprend un prisme droit en germanante de bismuth,dont une face extrême est en contact optique avec un dispo- sitif amplificateur de lumière tandis que l'autre face extrême du prisme est exposée audit rayonnement,au moins les surfaces latéra- les dudit prisme étant pourvues d'un revêtement réfléchissant la lumière. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion seront mis en évidence dans la suite de la description,donnée à titre d'exemple non limitatif,en référence aux dessins annexés dans lesquels: Fig.l est un schéma synoptique montrant les in- terconnexions entre les composants principaux de l'appareil selon l'invention; Figs.2a et 2b sont des vues isométriques d'une combinaison d'un cristal de détecteur et d'un photomultiplicateur, avec et sans des coins découpés à 45 sur la face du cristal, Fig.3 représente une partie d'un plan contenant une rangée circulaire de détecteurs,des photomultiplicateurs et des amplificateurs locaux associés,et Fig.4 représente une partie d'un plan contenant une rangée circulaire de détecteurs avec des cristaux profilés,des écrans facultatifs et des tampons absorbeurs. Sur la figure 1,on a représenté une rangée annu- laire 1 de détecteurs à cristaux 2,associés à des photomultiplica,- teurs 3 qui sont chacun reliés à un amplificateur charge-tension associé 4a, 4b/ Les amplificateurs respectifs 4 sont reliés à des discriminateurs d'énergie 5a, 5b...... 5n,dont les signaux de sortie sont appliqués à un circuit de coïncidence 6 puis.à des portes OU,dont l'une est indiquée en 62. Les amplificateurs 4 assurent la conformation des signaux provenant des photomultipli- cateurs 3 de façon à produire un signal d'entrée approprié pour les discriminateurs 5 qui produisent chacun une impulsion de synchronisation pour chaque condition d'énergie sélectionnée.Un élément à retard 64 de résolution appropriée est branché entre les portes 62 et les registres de mémorisation 66A et 66B,dont les sorties sont reliées à des registres d'adresses 68. Le circuit de coïncidence 6 constitue une entrée pour une mémoire 7. En considérant maintenant la figure 2a,qui est une vue d'un cristal de scintillation 20 au germanate de bismuth, on voit que la figure met en évidence la forme trapézoïdale de prin- cipe et qu'un photomultiplicateur 3 est relié à la face arrière du cristal. La figure 2b est semblable à la figure 2a mais la petite face 22 du trapèze est évidée sur des côtés opposés de façon à former des méplats 24a et 24b. Les méplats peuvent être orientés à 45 par rapport à la face du cristal 20. Les cristaux 20 sont peints en blanc de manière que toute la lumière provenant de chaque scintillation soit réfléchie de tous côtés,à l'exception de la face arrière de la- quelle elle sort pour être enregistrée par les photomultiplica- teurs 3. La forme de la face avant du cristal 20 réduit légèrement l'efficacité du rayonnement arrivant suivant un angle d'incidence de 90 mais elle augmente fortement l'efficacité du rayonnement pour des angles d'incidence jusqu'à 30',ce qui améliore l'efficaci- té globale de l'appareil. La figure 3 représente une partie d'une rangée circulaire de détecteurs 2,de photomultiplicateurs 3 et d'amplifica- teurs 4. Il est à noter que les détecteurs 2 peuvent être pourvus de séparateurs et/ou de tampons métalliques massifs entre eux,comme cela sera décrit de façon plus détaillée en référence à la figure 4. En considérant la figure 4,on voit qu'on a représen- té une partie d'une rangée circulaire de détecteurs 2 et de photo- multiplicateurs 3. Bien qu'on ait mis en évidence sur les figures 1, 3 et 4 un seul plan de détecteurs 2,de photomultiplicateurs 3 et d'amplificateurs 4 répartis circulairement,il va de soi qu'on peut prévoir deux plans ou plus de ce genre,contenant des composants semblables. Comme indiqué précédemment,les détecteurs sont peints en blanc (ou sont pourvus d'un autre revêtement réfléchissant) sur toutes les surfaces à l'exception de la zone qui est en contact avec les photomultiplicateurs.Il est possible d'insérer,à volonté, des organes métalliques d'espacement 40 entre les détecteurs. Ces organes d'espacement 40 servent à diminuer les largeurs apparentes (ouvertures fonctionnelles)des détecteurs. Bien que cela diminue l'efficacité des détecteurs individuels,on obtient une augmentation de la résolution spatiale. Bien qu'on ait indiqué sur la figure 4 des détecteurs 2 ayant une forme essentiellement trapézoïdale, c'est-à-dire avec la petite extrémité intérieure dirigée vers le centre du groupe 1 et la grande extrémité extérieure dirigée vers les photomultiplicateurs 3,et avec des organes d'espacement parallèles 40 disposés dans des positions intermédiaires,les dé- tecteurs 2 peuvent avoir une section droite constante et les orga- nes d'espacement ou séparateurs 40 une forme de coin. On peut évidemment éliminer complètement les sépa- rateurs du fait qu'ils ne sont efficaces que s'ils sont bien plus denses que le cristal de scintillation. Il est à noter que les détecteurs représentés sur la figure 4 sont pourvus de coins à 45',comme décrit précédem- ment en référence à la figure 2b. Cependantcet angle de 450 n'est pas critique. Les séparateurs 40,qui peuvent être formés de tungstène,peuvent également constituer une partie d'une enceinte opaque à la lumière pour les cristaux détecteurs individuels. On a également indiqué sur la figure 4 des tampons amovibles réducteurs 44 en plomb ou en tungstène. La surface avant de l'enceinte opaque à la lumière est formée d'une mince feuille 42 d'acier inoxydable ou d'un matériau semblable,cette feuille étant pliée pour épouser le contour des cristaux individuels. Les détecteurs peuvent également avoir une structure modulaire en vue de faciliter leur remplacement. Dans ce cas,chaque unité est séparément opaque à la lumière. Les cristaux détecteurs individuels 2 peuvent être maintenus en permanence dans un ensemble oudans un autre mode de réalisation,ils peuvent être réalisés de façon à être individuellement démontables afin que l'ensemble constitué par les photomultiplicateurs et les cristaux puisse être remplacé comme une unité lors d'opérations d'entretien. Les tampons individuels réducteurs de largeur 44 en plomb sont montés sur une autre pièce en acier inoxydable ayant la forme d'une bande qui peut être emmanchée en position et fixée sur le corps de l'enceinte opaque à la lumière. On peut résumer comme suit les avantages de la présente invention: -on obtient un détecteur à scintillation qui est formé de germanate de bismuth et qui est plus dense que les détecteurs de types connus utilisant une matière de scintillation comme par exemple de3iodure de sodium; -puisque le rendement de comptage de coïncidence est fonction du carré du rendement des détecteurs individuels,il est possible d'obtenir un facteur global d'amélioràtion compris entre 4et lOen fonction de la dimension et de l'orientation des cristaux; -la disposition des détecteurs suivant une rangée circulaire plane permet d'obtenir un agencement parfaitement symé- trique des détecteurs qui entourent uniformément le corps avec une matière de détection de rayonnement. Cet agencement convient pour être utilisé dans un algorithme de reconstruction d'image; -Le fait de placer les détecteurs uniformément sur un cercle avec la configuration la plus compacte possible empêche l'un ou l'autre d'une paire de rayons gamma situés dans ce plan de s'échapper du plan sans être détecté par un des détecteurs; -la forme trapézoîdale des détecteurs convient de façon optimale pour des rayons gamma arrivant avec une incidence normale ou bien avec des angles d'incidence très proches de 90 ; -la forme trapézoïdale est nettement plus efficace que la forme cylindrique circulaire utilisée dans les réalisa- tions connues. Elle est également plus efficace qu'une forme rectan- gulaire,intervenant également dans les réalisations connues,du fait qu'une plus grande partie du volume entourant le patient est remplie avec une matière de détection au lieu d'être perdue. La majeure partie du rayonnement arrivant sur les détecteurs correspond à des angles d'incidence pouvant atteindre 30 de part et d'autre de la normale. Pour une rangée annulaire de dia- mètre de 42 cm,un rayonnement arrivant avec un angle d'incidence de tombe à l'extérieur de la zone utile de 25 cm qui intervient dans la reconstruction d'image. D'autres angles,diamètres et zones utiles pourraient être adoptés dans d'autres modes de réalisation. Le trajet suivi par ce rayonnement est bien inférieur au trajet possible de 3 cm de la matière de détection qui est disponible pour les photons qui arrivent perpendiculairement sur la face du détecteur. Pour maintenir la résolution spatiale du dispositif auss bonne à la périphérie qu'au centre, il est nécessaire d'empêcher un rayonnement, qui serait absorbé par un détecteur sur lequel il arriverait en premier,d'être transmis à un détecteur voisin. Ce problème est résolu en plaçant un séparateur en tungstène entre les détecteurs. Le tungstène absorbe le rayonne- ment parasite à un plus fort degré que le germanate de bismuth, ce qui permet de maintenir une plus grande résolution spatiale en direction du bord de l'image qu'en l'absence de séparateurs. On peut encore optimiser la forme des détecteurs pour un rayonnement ayant un angle d'incidence différent de 90 en profilant la face avant de telle sorte que deux côtés soient découpés à 45 . Bien que cela réduise légèrement l'efficacité d'un rayonnement arrivant suivant la normale,on obtient une forte augmentation de l'efficacité pour des rayonnements ayant des angles d'incidence jusqu'à 30',ce qui améliore l'efficacité globale du dispositif. La forme décrite ci-dessus a également pour effet de réduire au minimum la diminution de résolution spatiale sur la périphérie -de l'image par rapport à un prisme circulaire droit par exposition d'une plus grande zone de la face du détecteur à un rayonnement dont l'angle d'incidence est différent de 90'. L'intervalle existant entre les faces avant de détecteurs adjacents a pour effet,lorsqu'il est rempli par un tampon métallique amovible,de diminuer l'ouverture fonctionnelle de chaque détecteur pour tous les angles d'incidence de rayonnement jusqu'à 30 par rapport à la normale. Le tampon métallique massif disposé en avant des détecteurs peut être mis en place ou enlevé à volonté,ce qui permet d'adapter l'efficacité à une résolution spatiale appropriée pour l'analyse à effectuer. La forme des détecteurs permet d'obtenir que le point o la moitié du rayonnement incident est absorbé (approxima- tivement 8 à 9 mm)à partir du point d'incidence du rayon gamma reste approximativement constant indépendamment de l'angle d'inci- dence. L'effet qui vient d'être décrit peut être utilisé dans l'algorithme de reconstruction de manière que les détecteurs soient situés sur un cercle d'un diamètre supérieur d'environ 1,7 cm au diamètre réel,en vue de compenser ainsi les profondeurs de pénétration effective de 50% des rayons gamma arri- vant sur les détecteurs. L'engagement des tampons métalliques lourds dans les détecteurs permet de réduire l'ouverture fonctionnelle par disposition d'une quantité maximale de matière absorbante entre les détecteurs,sans diminuer la capacité de réception des détecteurs à des rayonnements ayant des angles d'incidence jusqu'à 30 . REVENDICATIONS l.Détecteur à scintillation utilisable pour la détection d'un rayonnement d'annihilation dans un processus de désin- tégration de positons,caractérisé en ce qu'if comprend un prisme droit en germanate de bismuth,dont une face extrême est en contact optique avec un dispositif d'amplification de lumière tandis que l'autre face extrême du prisme est exposée audit rayonnement,au moins les surfaces latérales dudit prisme étant pourvues d'un revête- ment réfléchissant la lumière. 2. Détecteur selon la revendication 1,caractérisé en ce que ledit prisme a une forme trapézoïdale dans un plan de manière que la première face extrême ait une étendue plus petite que l'autre face extrême. 3. Détecteur selon la revendication l,caractérisé en ce que la première face extrême comporte deux facettes parallèles et de forme rectangulaire qui sont disposées sur ses côtés opposés respectifs. 4. Détecteur selon la revendication l,caractérisé en ce que lesdites facettes sont placées dans des plans qui font un angle d'environ 450 avec ladite première face extrême. 5. Groupe de détecteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs détecteurs qui sont placés dans un plan commun et qui sont espacés d'intervalles égaux autour d'un cercle communles autres extrémités de chaque détecteur étant dirigées vers le centre dudit cercle commun. 6. Groupe de détecteurs selon la revendication 5, caractérisé en ce que chacun des détecteurs du groupe a une configu- ration trapézoidale,en ce qu'il comporte deux extrémités parallèles qui correspondent à ladite première face et à ladite seconde face, et en ce que ladite configuration trapézoïdale définit deux côtés non parallèles qui sont orientés essentiellement radialement par rapport audit cercle commun. 7.Groupe de détecteurs selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on prévoit plusieurs écrans métalliques lourds qui sont disposés entre des détecteurs adjacents. 8. Groupe de détecteurs selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on prévoit plusieurs séparateurs métalliques lourds qui sont placés entre et qui viennent buter contre les facettes opposées de détecteurs adjacents, lesdits séparateurs dégageant ladite autre face extrême de manière à ne pas causer d'obstruction pour un rayonnement incident.