Brevet FR2464056A1 — publié le 19810306

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'anni- hilation produit par désintégration de positons et pour utiliser cette information afin de reconstruire une image de la distribu- tion des isotopes d'émissioncb 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.Vlisotope 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 entant 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 parti- cules. 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 parti- cules originelles. Les deux rayons gamma peuvent être détectés par des dispositifs appropriés. Si ces dispositifs mesurent l'énergie des rayons gamma à 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 de manière à pouvoir obtenir des images d'un grand nombre d'événements en coincidence pendant le mêmeintervalle 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. Orba maintenant définir les composants d'un appa- reil d'examen avec formation d'image. Cet appareil d'examen opérant avec un rayonnement d'annihilation de positons se compose des parties fondamentales suivantes: (l)Un certainnambre 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 lumi- neux 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. Son amplitude 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 enre- gistré des rayons gamma d'une énergie appropriée dans un court intervalle de temps (temps de résolution de coincidence).On dit que ces détecteurs ont enregistré un "évènement de coïncidence". 3 2464056 (5) Le dispositif doit comporter un circuit électrique qui détermineparmi les nombreuses combinaisons possibles de détec- teurs,les deux détecteurs qui ont enregistré ce qu'on appelle l'évènement de coïncidence". (6) 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 trans- formée 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 algorithme peut être programmée dans un ordinateur d'utilisation générale. En conséquencel'invention a pour objet de fournir un appareil pour établir plus d'une image tomographique simultané- ment dans différentes sections droites ou tranches d'un patient. L'invention permet également d'utiliser des ran- gées annulaires séparées de détecteurs pour chaque plan de numéro impair et d'utiliser des événements de coïncidence qui se produi- sent entre des rangées annulaires adjacentes de détecteurs en vue d'établir un plan ou tranche central de numéro pair. L'invention a également pour objet de décaler les rangées annulaires ou anneaux de détecteurs les uns par rapport aux autres d'une valeur correspondant à la moitié de l'angle de séparation des détecteurs,ce qui permet de reconstruire une image à partir du plan central sans avoir à faire tourner physiquement le groupe de détecteurs pendant l'accumulation des données. Pour atteindre les objectifs définis ci-dessus, on prévoit,conformément à la présente invention,un appareil d'examen avec formation d'image par annihilation de positons com- prenant: (a) un premier groupe de N détecteurs qui sont répartis à intervalles égaux sur un premier cercle disposé dans un premier plan commun, (b) un second groupe de N détecteurs espacés d'intervalles égaux sur un second cercle disposé dans un second plan commun, le premier et le second cercle étant centrés sur un axe commun, le premier et le second plan étant parallèles entre eux et espacés l'un de l'autre,les détecteurs du premier groupe étant décalés par rapport aux détecteurs du second groupe d'un angle ^ essentiellement égal à 360/2N0 et sous-tendu de l'axe commun, (c) éventuellement,on prévoit d'autres groupes de détecteurs qui sont alternativement décalés de la même manière que les groupes de détecteurs définis dans les paragraphes (a) et (b) ci- dessus. 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.1 représente un schéma synoptique de l'appa- reil selon l'invention; Fig.2 est une vue en coupe montrant comment les événements de coïncidence sont obtenus à partir de deux rangées annulaires de détecteurs en vue de produire trois images tomogra- phiques indépendantes dans des plans de section droite consécutifs au travers d'un patient; Fig.3 montre la disposition des détecteurs dans un système à deux rangées annulaires,qui est capable de produire trois plans de section droite; Fig.4 est une vue en perspective de deux rangées annulaires de détecteurs,les détecteurs de la rangée intérieure étant décalés par rapport aux détecteurs de la rangée extérieure. On a représenté schématiquement sur la figure l un mode préféré de réalisation de l'appareil 1 d'examen avec formation d'image par annihilation de positons. On voit que cet appareil se compose de deux ou plusieurs rangées annulaires ou anneaux de détecteurs 2,2' qui entourent l'objet dont une image doit être formée dans deux plans ou plus. Les signaux électriques fournis par ces détecteurs sont amplifiés en 4a..... 4n,et leur énergie est mesurée dans des discriminateurs d'énergie 5a..... 5n;les signaux de sortie de chaque discriminateur d'énergie sont traités par un circuit de coïncidence 6. Le signal de sortie du circuit de coïncidence est utilisé pour assurer l'adressage d'emplace- ments de mémoire dans un ordinateur d'utilisation générale. L' or- dinateur reconstruit alors une image de la distribution de l'isoto- pe d'annihilation de positons dans les plans de section droite qui ont été explorés ou analysés. Sur la figure 1,62 représente une porte OU, 3 un photomultiplicateur,64 un élément à retard de résolution approprié,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 pour une mémoire 7. Dans le mode préféré de réalisation de la présente invention,on prévoit deux rangées annulaires contenant 64 détec- teurs au germanate de bismuth de forme trapézoïdale et qui sont séparées par un mince séparateur de tungstène (figure 4). Ces deux rangées annulaires de détecteurs sont entraînées en rotation l'une par rapport à l'autre d'une valeur correspondant à la moitié de l'angle de séparation de détecteurs (2,80). Pour le fonctionnement normal d'une rangée annu- laire ou anneau de détecteurs opérant par annihilation de posi- tons dans un seul plan d'examen,il est souhaitable de faire tourner ledit anneau de détecteurs suivant un mouvement oscillant d'une valeur correspondant à la moitié de l'angle de séparation de détecteurs. Le but de cet agencement est de doubler le nombre de points de chaque projection parallèle qui sont utilisés dans la technique de reconstruction d'image. L'autre but est d'échantil- loner uniformément l'objet à analyser de manière que l'échantillonnage de la projection soit effectué en des points qui ne sont pas plus grands que la moitié des largeurs des ouvertures des paires de détecteurs. Cela est nécessaire pour empêcher des "erreurs de chevauchement" dans l'image reconstruite. Ce mouvement oscillant a une durée déterminée (dans le mode préféré de réalisation,environ un tiers de seconde) qui limite la vitesse à laquelle les images consécutives peuvent être obtenues approximativement à deux tiers de seconde par image. On peut effectuer la reconstruction d'une "tranche centrale" entre les deux plans de détecteurs,lorsqu'on utilise deux rangées annulaires de détecteurs comme indiqué sur la figure 2. Puisque cette tranche centrale est examinée par un nombre double de détecteurs,ces éléments enregistrent dans cette zone un nombre double de comptes par unité de temps. Il en résulte qu'on peut reconstruire une image de la tranche centrale pendant la moitié du temps nécessaire pour obtenir des données de la même précision statistique à partir des tranches extérieures. En déca- lant les rangées annulaires de détecteurs d'une valeur correspon- dant à la moitié de l'angle de séparation des détecteurs,on voit qu'on collecte des données à partir du même nombre de points que ce qu'on obtiendrait à partir d'une seule rangée annulaire placée dans sa position normale et dans une position décalée angulairement. En conséquence la zone d'examen est échantillonnée avec une précision suffisamment grande pour permettre de recons- truire une image d'une tranche centrale sans avoir à faire tourner la rangée annulaire de détecteurs. Cela signifie en pratique qu'on peut reconstruire des images de la tranche centrale à une vitesse déterminée seulement par la quantité d'isotopes administrés au patient,par la précision statistique imposée à l'image finale et par le transfert des données brutes dans une mémoire plus permanente (disque magnétique). Sur la figure 3,on a représenté une vue en élévation latérale de parties adjacentes de deux rangées annulaires de détecteurs,à savoir Ul..... U64 dans une rangée et L1.... L64 dans l'autre rangée. - Les rangées annulaires de détecteurs sont sépa- rées par un mince séparateur 230 en tungstène qui empêche la péné- tration d'un rayonnement indésirable d'une rangée de détecteurs dans l'autre. Les détecteurs adjacents de la même rangée sont également séparés par des séparateurs en tungstène. Il faut égale- ment disposer un collimateur annulaire entre les deux rangées de détecteurs afin d'empêcher un rayonnement extérieur à la tranche de pénétrer dans l'un des détecteurs. Celayété mis en évidence sur la figure 2. Sur ladite figure 2,20 et 22 désignent des écrans fixes,26 est une plaque portante,210 et 212 sont des éléments colli- mateurs,28 et 28' sont des évidements prévus dans les écrans. ,22,24 est une face d'un écran fixe. Les références 218 et 220 désignent des engrenages ou pignons de chaînes et les références 224 et 226 des vis-mères. Les figures 3 et 4 montrent la disposition relati- ve des deux rangées annulaires de détecteurs 302,304. Les détec- teurs 2,2' sont séparés angulairement de la moitié de l'angle sous-tendu par un détecteur individuel. Les détecteurs individuels sont séparés par des séparateurs en tungstène 306,308 dans chaque rangée annulaire, Il est également prévu une plaque de tungstène 230 entre les deux rangées de détecteurs. Dans un autre mode de réalisationon peut utiliser un nombre de rangées annulaires de détecteurs supérieur à deux en quinconçant alternativement les rangées de détecteurs d'une valeur égale à la moitié de l'angle de séparation des détecteurs de façon à pouvoir obtenir,pour N rangées de détecteurs,(2N-l)images de tranches. 8 2464056 On obtient les avantages suivants en ce qui concerne la présente invention. Plus de détecteurs détectent le rayonnement éma- nant du patient de manière à augmenter le degré d'utilisation de l'isotope administré au patient par rapport au cas o on utilise une seule rangée de détecteurs. Le codage et le traitement des données concernant- des événements de coïncidence faisant intervenir des détecteurs placés dans des tranches adjacentes permettent de former une image du volume total en éliminant les points aveugles qui se produiraient si on n'utilisait pas les événements de coïncidence dans les tranches. En utilisant des détecteurs séparés placés dans chaque tranche (par opposition à l'utilisation de détecteurs longs et d'un codage électronique de la position de l'événement dans un détecteur), il est possible d'augmenter la vitesse de comptage sans perte d'efficacité. Cela permet de faire fonctionner l'appareil dans une plus large gamme de vitesses de comptage. En faisant tourner les détecteurs d'anneaux adjacents de la moitié de l'angle de séparation des détecteurs,on améliore le temps de formation d'image dans une tranche de numéro pair d'un facteur égal à deux. Ce résultat est obtenu puisque (a) un nombre doublé de paires de détecteurs analysent la tranche centrale et (b) il est normalement nécessaire de faire tourner la rangée de détecteurs d'une valeur correspondant à la moitié de l'angle de séparation des détecteurs pour obtenir la résolution spatiale désirée et assurer l'échantillonnage du plan examiné. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisa- tion décrit et elle englobe les variantes évidentes pour les spécialistes.. REVENDICATIONS 1. Appareil d'examen avec formation d'image par annihilation de positons, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un premier groupe de N détecteurs qui sont répartis à intervalles égaux sur-un premier cercle disposé dans un premier plan commun, (b) un second groupe de N détecteurs espacés d'intervalles égaux sur un second cercle disposé dans un second plan communle premier et le second cercle étant centrés sur un axe communle premier et le second plan étant parallèles entre eux et espacés l'un de l'autre,les détecteurs du premier groupe étant décalés par rapport' aux détecteurs du second groupe d'un angle essentiellement égal à 360/2N' et sous-tendu de l'axe commun. 2. Appareil d'examen selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une rangée sup- N plémentaire de/détecteurs espacés d'intervalles égaux et disposés circulairement dans un ou plusieurs plans espacés desdits plans communs, les détecteurs de ladite rangée supplémentaire étant décalés de 360/2N' par rapport aux détecteurs de.celui desdits premier ou second groupes de détecteurs qui est placé dans.une position adjacente.