Brevet FR2464055A1 — publié le 19810306

La présente invention concerne d'une façon générale 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'annihilation 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 es* 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 entranten 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 particules. La masse restante des deux particules est trans- formée en deux rayons gamma de 511 keV qui sont émis suivant un angle de 180',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 mesu- rent l'énergie des rayons gamma à 511 keV et enregistrent cette énergie presque simultanément,on peut supposer que l'origine 2 2464055 -2 du rayonnement est située sur une ligne droite reliant les deux détecteurs. On peut utiliser plusieurs détecteurs de manière à pouvoir obtenir des images d'un grand nombre d'événements en coïncidence pendant le même intervalle de temps.Ensuite,l'informa- tion 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 maintenant définir les composants dcn dispo- sitif d'examen avec formation d'image. Ce dispositif d'examen opé- rant avec un rayonnement d'annihilation de 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 scintillation émettent un éclair lumineux à chaque fois qu'ils absorbent un rayonnement gamma qui peut ou non résulter de l'annihilation mu- tuelle d'un positon et d'un électron. L'intensité de l'éclair lu- mineux est proportionnelle à l'énergie du rayonnement gamma. (2)Le dispositif doit contenir un moyen de transformation de l'éclair lumineux en une impulsion de charge électrique dont l'am- plitude est proportionnelle à l'intensité lumineuse. (3) Le dispositif doit comporter un moyen pour déterminer que l'impulsion de charge peut résulter d'un rayon gamma dont l'énergie est approximativement équivalente à la masse de l'électron au repos (511 keV). (4) Le dispositif doit comporter un circuit électrique pouvant déterminer que deux,et seulement deuxdétecteurs ont chacun 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 coïncidence'. (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 appelle l'événement de coïncidence" 46) Le dispositif doit comporter une mémoire dans laquelle il peut enregistrer combien de fois chaque paire de détecteurs a enregistré un "événement de coïncidence". 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 par unité de temps dans une section droite entourée par les détecteurs. La séquence de phases définie par cet algorith- me peut être programmée dans un ordinateur d'utilisation générale. La présente invention a pour principal objet de fournir un dispositif d'examen avec formation d'image par annihilation de positons qui comporte deux ou plusieurs rangées annulaires de détecteurs à l'aide desquels on peut déterminer en une seule fois trois tranches ou plus de l'objet à analyser, à l'aide d'une technique de réglage des largeurs de tranches. L'invention a également pour objet de permettre un examen d'une tranche en faisant intervenir simultanément tous les détecteurs situés dans des plans adjacents et la reconstruc- tion de ladite tranche comme si tous les détecteurs étaient situés dans le même plane L'invention a en outre pour objet de permettre l'examen d'une seule tranche sans avoir à faire tourner le groupe de détecteurs ou sans avoir à le déplacer d'aucune manière pendant la collecte des données. Cela permet d'effectuer un examen physiologique d'une seule tranche sans avoir à déplacer le groupe de détecteurs,de sorte que la vitesse de définition 4 2464055 d'image est indépendante du mouvement des détecteurs et est limitée seulement par la mémorisation permanente de données à partir d'images individuelles. Pour résoudre le problème défini ci-dessus,on prévoit selon la présente invention un dispositif d'examen avec formation d'image par annihilation de positons comprenant: (a) un premier groupe circulaire de n détec- teurs qui sont disposés dans un premier plan et qui sont espacés d'intervalles angulaires égaux de 360 ;. (b) un second groupe circulaire de détecteurs dont le nombre est identique à celui des premiers détecteurs les seconds détecteurs étant disposés coaxialement aux détec- teurs du premier groupe et-étant situés dans un secDnd plan séparé du premier plan,lesdits seconds détecteurs étant espacés les uns des autres d'intervalles angulaires égaux de 360 et étant quinconces par rapport aux premiers détecteurs l'un angle essentiellement égal à 360 ; (c)des 2npremier et second écrans fixes qui sont disposés à l'extérieur desdits groupes de détecteurs,et qui ont une configuration annulaire plane, lesdits premier et second groupes de détecteurs étant mobiles circonférentiellement par rapport auxdits écrans fixes dudit angle de 3600 et rapport auxîts uî 2n e (d) des premier et second éléments collimateurs extérieurs de configuration annulaire plane qui sont disposés entre les écrans fixes et le groupe circulaire de détecteurs associés et qui sont situés dans des plans parallèles'à ceux dans lesquels peuvent se déplacer lesdits premier et second éléments collimateurs extérieurs. D'autres avantages et caractéristiques de l'in- vention 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 d'ensemble de l'appareil ou dispositif selon l'invention; Fig.2 est une vue en planen partie en coupe, des écrans et des collimateurs mobilesles collimateurs extérieurs étant rétractés tandis que le collimateur central est placé dans sa position normale,en permettant la reconstruction de trois images; Fig.3 est une vue semblable à la figure 2,mais avec les collimateurs extérieurs déplacés en-direction du collima- teur central en vue de réduire simultanément l'épaisseur de toutes les tranches; Fig?4 est une vue semblable à la figure 3,mais montrant maintenant le collimateur central qui a été divisé et. dont les parties ont été déplacées vers le collimateur extérieur en permettant la reconstruction de la première tranche comme si tous les 128 détecteurs étaient situés dans le même plan; - Fig.5 est une vue en élévation,faite de l'arriè- re de l'appareil et montrant l'écran arrière fixe ainsi que le mécanisme d'entraînement à pignons de chaîne et les moteurs qui assurent le déplacement des collimateurs; Fig.6 est une vue en plan arrachée,le collimateur étant enlevé pour montrer les détecteurs,leurs plaques portantes et la structure qui maintient les écrans. -Un mode préféré de réalisation de ce dispositif d'examen avec formation d'image par annihilation de positons a été désigné dans son ensemble par 1 sur la figure 1. On voit que l'ap- pareil ou dispositif se compose de deux rangées annulaires de détecteurs 2,2 disposées coaxialement et entourant l'objet à exami- ner dans deuplans. Les signaux de sortie des détecteurs 2,2' sont amplifiés dans des amplificateurs de tension 4 et leur énergie est mesurée par des discriminateurs d'énergie 5. Les signaux provenant de la seconde rangée annulaire de détecteurs 2' sont appliqués de la même façon aux amplific.teurs de tension 4 et aux discriminateurs d'énergie 5.Les signaux de sortie de chacun des discriminateurs d'énergie 5 sont traités à l'aide d'un circuit d'analyse de coïncidence 6 qui détermine celui des deux détecteurs qui inter- vient à un moment donné. Le signal de sortie du circuit de coin- cidence 6 est utilisé pour augmenter la valeur d'emplacements de mémorisation dans un ordinateur d'utilisation générale.L'ordina- teur reconstruit alors une image de la distribution d'isotopes émetteurs dans les sections droites qui ont été analysées. Le circuit de coïncidence mentionné ci-dessus a déjà été décrit par le demandeur. Sur la figure 1,62 représente une porte OU,3 un photomultiplicateur,64 un élément à retard de résolution appropriée,66A et 66B des registres de mémorisation dont les sorties sont reliées à des registres d'adresses 68 Le circuit de coïncidence 6 constitue une entrée par une mémoire 7. Dans le mode préféré de réalisation de l'invention, on prévoit deux rangées annulaires de 64 détecteurs au germanate de bismuth de forme trapézoïdale qui sont séparés par de minces séparateurs en tungstène. Ces détecteurs au germanate de bismuth de forme trapézoïdale ont également été décrits par le demandeur. Ces deux rangées annulaires de détecteurs sont déplacées en rota- tion l'une par rapport à l'autre d'un angle correspondant à la moitié de l'angle de séparation des détecteurs (2,8M.Une telle structure a été aussi décrite par le demandeur. La figure 1 représente les deux rangées annulaires de détecteurs 2 et 2'. En considérant maintenant plus particulièrement la figure 2,on voit que les deux rangées annulaires de détecteurs au germanate de bismuth(C, D, E, F),portés par une plaque portante 26, sont entourées par des écrans fixes 20,22 en plomb. La fonction de ces écrans 20,22 est d'empêcher un rayonnement,provenant de l'exté- rieur des plans à examiner,d'atteindre les détecteurs et de créer - ainsi un fond de comptage aléatoire dans l'image. La face intérieure 24640-55 24 des détecteurs C, D, E et F est située sur un cercle de 42 cm de diamètre. Le diamètre précis n'est pas critique. Les détecteurs proprement dits sont retenus en position sur la plaque portante 26 et sont autorisés à se déplacer par rapport aux écrans fixes 20, 22. L'ensemble de détecteurs peut tourner autour de son axe d'un angle de 2, 80 qui,pour le nombre de détecteurs utilisés,est égal à la moitié de l'angle de séparation entre deux détecteurs adjacents. Ce mouvement de rotation alternatif simple est utilisé pour des études avec faible résolution. On peut obtenir une haute résolution lorsque l'ensemble de détecteurs peut se déplacer,autour de l'axe commun,sur un petit cercle (d'un diamètre d'environ 1 cm) qui augmente le nombre d'échantillons par projection lorsque les données sont établies. Les faces 24 des écrans fixes 20,22 en plomb sont évidées circonférentiellement comme indiqué en 28 et 28'. Dans les évidements 28 et 28' prévus dans chacun des écrans en plomb ,22,on peut placer deux éléments-collimateurs au plomb 210,212 qui sont mobiles, Ces deux collimateurs au plomb,qui ont une forme annulairedéfinissent les limites extérieures des deux tranches extérieureset également les limites extérieures de la tranche centrale,comme le montre la figure 2. Les limites extérieu- res des tranches extérieures ont été représentées par les lignes en traits interrompus entre les détecteurs C et D et les détecteurs E et F. Les limites extérieures de la tranche centrale ont été représentées par des lignes en traits mixtes,qui sont obtenues pour des coïncidences entre les détecteurs E et D et les détecteurs C et F. Les collimateurs extérieurs peuvent être déplacés vers l'intérieur et vers l'extérieur à volonté à l'aide des vis tournan- tes 214,216 qui sont entraînées en rotation à l'aide d'engrenages ou de pignons de cha5nes 218.220.On prévoit huit vis de ce genre, comme indiqué sur la figure 6. Les engrenages sont reliés par une courroie d'entraînement 220' et un petit moteur électrique réversi- -8 2464055 ble 224 fait tourner toutes les vis en synchronisme de manière à faire déplacer les collimateurs vers l'intérieur et vers l'ex- térieur. Les parties supérieures et inférieures des vis 214 et 216 comportent des filetages à pas à gauche et à pas à droite de manière que, lorsque les vis sont entraînées en rotation dans le sens des aiguilles d'une montre,les collimateurs s'écar- tent du plan central à l'unisson. Quand les vis sont entraînées en rotation dans le sens contraire des aiguilles d'une montre,les deux collimateurs se rapprochent à l'unisson du plan central. On peut mieux apprécier ce mouvement par une comparaison des figu- res 2 et 3,o les collimateurs extérieurs 21È et 212 ont été. rapprochés du centre jusqu'en un point o la largeur de tranche a été réduite à environ 1,2 cm de la largeur totale au maximum pour la moitié de l'épaisseur normale de 2 cm. Pour protéger les détecteurs contre un rayonnement provenant de l'extérieur du planil est souhaitable de placer le collimateur central 222/4 entre les deux détecteurs. Ce collimateur est normalement constitué par une pièce annulaire en plomb qui est supportée par l'écran fixe 20.Cependantdans cet appareille colli- mateur central est formé de deux pièces coniques en plomb qui peuvent être déplacées sur d'autres vis - mères 224 et 226, comportant des filetages à pas à gauche et à pas à droite sembla- bles à ceux décrits pour les vis de collimateurs extérieurs 214 et 216.Le but d'une telle structure est de permettre au collimateur central d'être écarté en vue de l'établissement d'un mode spécial de formation d'image pour une tranche. Ceîg/été mis en évidence de façon claire sur la figure 4,o la moitié du collimateur central 222/4 et la moitié 236 du collimateur central 236/238 ont été déplacées vers le haut jusque contre le collimateur extérieur 212, le même processus étant adopté pour les moitiés inférieures du collimateur central. Puisque les faces exposées des détecteurs sont maintenant relativement petites,une seule image représentant une tranche d'une épaisseur d'environ 2 cm (FWHM) peut être reconstruite à partir des données fournies simultanément par tous les 128 détecteurs. Puisque la rangée annulaire supérieure de détecteurs est tournée de 2,80 par rapport à la rangée annulaire inférieure de détecteurs,la ligne reliant les détecteurs E et F n'est pas située directement au-dessus de la ligne reliant les détecteurs C et D, mais elle est en fait parallèle à cette ligne et espacée de distances égales de la ligne reliant les détecteurs C et DAet la ligne reliant les deux détecteurs suivants de la rangée annulaire inférieure. En conséquencele nombre de paires de détec- teurs qui sont disponibles pour une reconstruction d'image est le même que si tous les 128 détecteurs étaient situés dans la même rangée annulaire. Cependant,puisque les détecteurs sont en fait bien plus grands que ce qu'on pourrait obtenir en plaçant 128 détecteurs dans la même rangée annulaire,ce mode d'examen de tranche unique est bien plus efficace que ce qu'on pourrait obtenir en utilisant 128 détecteurs ayant une dimension égale à la moitié de celle des détecteurs intervenant dans le mode préféré de réalisa- tion. En outre,la largeur des détecteurs est telle que leur ouverture fonctionnelle est bien plus grande que ce qui pourrait être obtenu avec 123 détecteurs,ce qui permet d'assurer un échantillonnage plus uniforme de l'objet à analyser par compa- raison à ce qu'on obtiendrait avec 128 détecteurs distincts dans un seul plan. La figure 5 représente la courroie d'entraînement 280 et le moteur 282 assurant l'entraînement des vis mères qui font déplacer le collimateur central et les collimateurs extérieurs. La figure 5 montre également la manière dont les écrans au plomb peuvent être supportés à partir d'un palier inclinable de l'ensemble principal de détecteurs. -, ', a ':' ô- nS246 4055 La figure 6 est une vue en plan montrant l'en- semble des détecteurs et des écrans fixes,sans le collimateur mobile. Les détecteurs 2,2' sont fixés sur la plaque portante 610. L'ensemble de détecteurs peut tourner et exécuter un mouvement de précession à l'intérieur de l'ensemble d'écrans fixes (20,22), la structure pouvant être inclinée autour de l'axe 602.La plaque de support des détecteurs tourne dans un palier 612,supporté par la structure d'appui 614. Ce palier est monté de façon excen- trique dans le mécanisme de précession 616,618. Ce mécanisme de précession est supporté par la structure 620.Une rotation du mé- canisme 618 fait exécuter un mouvement de précession de l'ensemble de détecteurs autour d'un petit cercle. Diverses variantes peuvent être apportées à la présente invention sans sortir de son cadre. il REVENDICATIONS 1. Dispositif d'examen avec formation d'image par annihilation de positons,caractérisé en ce qu'il-comprend: (a) un premier groupe circulaire de n détecteurs qui sont disposés dans un premier plan et qui sont espacés d'intervalles angulaires 360 égaux de -60 n (b) un second groupe circulaire de détecteurs dont le nombre est identique à celui des premiers détecteurs,les seconds détecteurs étant disposés coaxialement aux détecteurs du premier groupe et étant situés dans un second plan séparé du premier plan,lesdits seconds détecteurs étant espacés les uns des autres d'intervalles angulaires égaux de 360 et étant quinconces par rapport aux pre- n 3600 miers détecteurs d'un angle essentiellement égal à 36, (c)des premier et second écrans fixes qui sont disposés à l'ex- térieur desdits groupes de détecteurs et qui ont une configuration annulaire plane,lesdits premier et second groupes de détecteurs étant mobiles circonférentiellement par rapport auxdits écrans fixes dudit angle de 360,et (d) des premier et second éléments collimateurs extérieurs de configuration annulaire plane qui sont disposés entre les écrans fixes et le groupe circulaire de détecteurs associés et qui sont situés dans des plans parallèles à ceux dans lesquels peuvent se déplacer lesdits premier et second éléments collimateurs exté- rieurs. 2. Dispositif selon la revendication 1,caractérisé en ce qu'il comprend en outre un collimateur central de configura- tion annulaire plane qui est disposé entre lesdits premier et second plans. - 3. Dispositif selon la revendication 2,caractérisé en ce que ledit collimateur central est divisé en deux parties séparées,également d'une configuration annulaire plane,lesdites parties séparées étant mobiles axialement et pouvant être écartées jusque dans des plans sélectionnés qui sont situés entre lesdits écrans fixes et lesdits premier et second plans associés. 4.Dispositif selon la revendication 1,coractérisé en ce qu'il comprend en outre un premier moyen d'actionnement servant à produire simultanément un mouvement axial desdits premier et second éléments collimateurs respectivement dans des directions opposées. 5. Dispositif selon la revendication 4,caractérisé en ce que ledit premier moyen d'actionnement comprend plusieurs vis-mères comportant des filetages à pas à droite et des filetages à pas à gauche. 6. Dispositif selon la revendication 3,caractérisé en ce qu'il comprend en outre un second moyen d'actionnement ser- vant à séparer lesdits éléments séparables. 7.Dispositif selon la revendication 6,caractérisé en ce que le premier moyen d'actionnement comprend plusieurs vis- mères comportant des filetages à pas à droite et des filetages à pas à gauche. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 5 ou 7,caractérisé en ce que lesdites vis-mères sont équi- pées de pignons sur lesquels passent des chaînes d'entraînement, lesdites chaînes étant déplaçables par des moteurs réversibles. 9. Dispositif selon la revendication l,caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour faire osciller lesdits groupes circulaires de détecteurs d'un angle d'environ 360 360-- par rapport à l'axe commun. n 10. Dispositif selon la revendication 1,caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen pour produire un mouvement de précession des axes des groupes de détecteurs suivant un cercle relativement petit par rapport audit axe fixe. 11.Dispositif selon la revendication lO,caractérisé en ce que ledit petit cercle a un diamètre d'environ 1 cm.