Brevet FR2479990A1 — publié le 19811009

DISPOSITIF ELECTRONIQUE DE CORRECTION DES DEFAUTS DE LINEARITE D'UNE CAMERA DE GAMMAGRAPHIE DE TYPE ANGER. L'invention concerne un appareil destiné à former une image d'une distribution de radiatiors,et comprenant un cristal scintilla- teur produisant des émissionslumineuses en réponse à des radiations incidentes, plusieurs photomultiplicateurs formant un réseau compact qui recouvre de façon déterminée une surface dudit cristal scintilla- teur, chaque photomultiplicateur ayant sa surface photosensible qui fait face audit cristal et engendrant un signal de sortie en réponse à l'émission lumineuse captée, et des circuits de calcul des coordon- nées des sources d'émission lumineuse, à partir des signaux qui leur sont appliqués. Des appareils du genre mentionné dans le préambule sont dits caméras à scintillations du type "Anger" et sont décrits par exemple dans lebrevet des Etats-Unis d'Amérique No 3.011.057. Ces caméras sont bien connues de l'art antérieur et largement utilisées dans le domaine de la médecine nucléaire, pour obtenir des images de la distri- bution de radioactivité d'un corps humain dans lequel est injecté un traceur radioactif, généralement à faible durée de vie et à émissionY par exemple, un sel soluble de Tc m99 ou Ia1,3 en quantité suffisante, m qatt ufsne et pour étudier la distribution de rayonnement Y émis par ledit traceur, afin d'en déduire un diagnostic. Les radiations Y sont filtrées par un collimateur, de façon à n'admettre que celles faisant un angle déterminé, généralement celles normales au plan du cristal scintillateur. Ces rayons Y pénètrent alors dans le cristal scintillateur, et produisent avec une assez grande probabilité, ure Mnission lumineuse en un point qui se trouve donc en relation spatiale avec le point du corps humain étudié, d'o pro- viennent les radiations. L'émission lumineuse ainsi produite, est reçue par un réseau de photomultiplicateurs, placé dans une position prédéterminée par rap- port au cristal, qui engendrent des signaux de sortie en réponse. Des circuits de traitement des signaux permettent de déterminer les coordon- nées spatiales des centres d'émission lumineuse. De nombreuses améliorations de ces caméras ont reçu appli- cation, tant en ce qui concerne le rendement des photomultiplicateurs, que le choix d'une fenêtre d'énergie, de manière à éliminer les radia- tions parasites (rayons cosmiques, effet Compton...). Cependant, la résolution spatiale des caméras du type Anger est limitée, par un défaut inhérent aux tubes photomultiplicateurs, et qui se traduit par une non-linéarité spatiale. En effet, il apparaît que lorsque le scintillateur reçoit le flux de rayons gamma présentant une densité de répartition uniforme, l'image obtenue sur l'écran du tube cathodique qui visualise les points calculés, possède une réparti- tion spatiale non uniforme, la densité de répartition de ces points étant plus importante dans les régions de l'écran correspondant aux axes des tubes photomultiplicateurs. Ce défaut se traduit par un'rapprochement des images des centres d'émission lumineuse, vers les axes des divers photomultiplica- teurs. Des perfectionnements visant à réduire ce rapprochement ont été proposés, sous la forme d.'un dispositif électronique de correction des coordonnées spatiales des centres d'émission lumineuse; le procédé de correction consiste à mesurer pour l'ensemble de l'image, des fac- teurs de correction point par point, à stocker ces facteurs dans une mémoire de capacité adéquate, et à corriger les coordonnées calculées avec ces facteurs. Un tel perfectionnement est décrit par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique, de numéro 3.745.345. Un tel procédé de correction est théoriquement exact, mais nécessite des capacités de mémoire trop importantes, et une réalisation du système trop complexe, en vue du résultat à atteindre. L'invention vise également à réduire ce rapprochement, au moyen d'un dispositif électronique de correction, mais d'une conception relativement plus simple. L'invention est remarquable en ce qu'elle comprend en outre, un système de correction des coordonnées calculées, ces corrections étant déterminées pour chaque source, à partir de sa distance au centre du photomultiplicateur le plus près. En effet, il apparaît des relevés effectués par la Demanderesse que l'effet de rapprochement présente, pour chaque tube photomultiplica- teur, une symétrie par rapport au centre du tube. De cette manière, les facteurs de correction peuvent être stockés dans une mémoire de capacité relativement faible puisqu'il suf- fit de déterminer, sur un seul rayon du cercle représentant le champ d'image d'un tube photomultiplicateur, des facteurs de correction sous une forme discrète, en un nombre suffisant pour approcher de manière satisfaisante la fonction analogique de correction, par exemple 32 facteurs. Selon une réalisation de l'invention, le système de correction se compose au moins d'un premier dispositif destiné à déterminer les coordonnées du centre du tube photomultiplicateur le plus près de l'émis- sion lumineuse, d'un second dispositif destiné à calculer la distance de ladite source d'émission lumineuse au centre dudit tube photomultipli- cateur, et d'un troisième dispositif qui corrige les coordonnées de ladi- te source à partir de facteurs de correction délivrés par une mémoire, ces facteurs de correction ne dépendant en fait que de la distance de ladite source au centre dudit tube. La description qui va suivre en regard des dessins annexés donnés à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre, comme l'invention se réalise. La figure 1 représente schématiquement l'agencement des tubes photomultiplicateurs d'une caméra Anger. La figure 2 représente une vue en coupe de la caméra. La figure 3 est un schéma synoptique des dispositifs de trai- tement des signaux issus des tubes, selon l'art antérieur. La figure 4 représente le signal reçu pour chaque tube photo- multiplicateur en fonction de la position de la scintillation par rap- port aux axes. La figure 5 représente l'erreur dans le calcul des coordonnées en fonction de la position par rapport aux axes. La figure 6 représente un schéma synoptique du dispositif de correction des coordonnées, seon la présente invention. La figure 7 représente plus en détail le dispositif de sélec- tion du tube photomultiplicateur le plus proche de la scintillation. et la figure 8, le dispositif de mémoire. On considère alors la figure 1 qui représente une disposition des tubes photomultiplicateurs, utilisée généralement dans ce genre de caméra à rayons gamma du type Anger, o dix-neuf tubes photomultiplica- teurs sont disposés selon un réseau hexagonal du type 3-4-5-4-3, de tel- 1o le manière que les photocathodes des tubes soient face au cristal et que les champs des photomultiplicateurs se chevauchent mutuellement. La figure 2 est une vue en coupe, selon l'axe II-II' de la figure précédente. Les cinq tubes photomultiplicateurs référencés P8, P9, PlO, Pll et P12 constituent donc la rangée médiane de l'agencement classique décrit ci-dessus. Ces tubes sont disposés sur un guide de lumière 20, constitué généralement en deux parties, un disque en altu- glass et une fenêtre en pyrex, faisant face à un cristal scintillateur 21, sous la forme'd'un disque typiquement en iodure de sodium, activé au thallium. Un collimateur 22 filtre les rayons Y émis par un corps d'épreuve 23, de manière à ne retenir que ceux faisant un angle dé- terminé avec le cristal scintillateur 21, généralement les rayons nor- maux à la face inférieure dudit cristal. Une source de rayonnement Y, comme par exemple un corps humain représenté schématiquement en 23 et contenant un traceur radio- actif en une quantité suffisante pour permettre un diagnostic, émet des radiations dans toutes les directions et seules, celles normales au plan inférieur du cristal scintillateur 21, pénètrent dans le cristal. Il se produit alors, avec une assez grande probabilité, une interaction entre ces radiations et le cristal, et ces interactions produisent une émission lumineuse, dont les centres sont en relation spatiale avec les points de l'organe d'o proviennent les rayons Y. Des tubes photomul- tiplicateurs captent ces émissions lumineuses, et engendrent des si- gnaux de sortie qui sont d'une part intégrés pour donner une mesure de l'énergie reçue, d'autre part traités dans un circuit de calcul de manière à fournir les coordonnées des centres d'émission lumineuse. En effet, les radiations directes provenant de l'organe arrivent avec un niveau d'énergie peu différent, déterminé par le type de traceur radioactif utilisé (par exemple 140 keV pour le Tc 9). m Mais d'autres radiations sont également reçues par le cristal, ainsi des radiations cosmiques ou des radiations produites par effet Compton, résultant de la diffusion produite sur les radiations directes, par les tissus mous du corps humain. Ces radiations peuvent être distinguées des radiations directes, par leur niveau d'énergie. Le traitement du signal, dans les dispositifsselon l'art antérieur, peut être représenté par le schéma synoptique de la figure 3. Ainsi, les signaux issus d'une caméra Anger 30, sont adressés à un dis- positif de calcul des coordonnées 31, qui peuvent être d'un type quel- conque tel que celui décrit par exemple dans le brevet précité des EtatsUnis d'Amérique 3.011.057, et qui délivre en sortie deux signaux, des coordonnées x et y calculées. Les signaux issus de la caméra sont appliqués à un intégrateur 32 qui délivre un signal d'énergie E, lequel est appliqué à un analyseur monocanal 33, à large fenêtre, qui délivre un signal de validation l, lorsque la valeur du signal d'énergie est comprise dans la fenêtre de l'analyseur 33; la validation des signaux de coordonnées x et y s'effectue dans le circuit de validation 35, qui peut être par exemple une porte ET, ou un dispositif d'utilisation tel qu'un tube cathodique, le signal *I étant alors utilisé pour déclencher le faisceau d'électrons. Dans certains dispositifs selon l'art antérieur, il est prévu un dispositif de correction des calculs des coordonnées x et y. Ce dis- positif de correction peut être un dispositif optique, comme par exemple des éléments diffusant la lumière, relativement opaques, et disposés entre le scintillateur et les tubes photomultiplicateurs, principale- ment ceux de la région centrale de la caméra, ces éléments étants décrits dans le brevet français NO 2.168.250. Ce dispositif de correction peut être également un dispositif électronique, un premier exemple étant décrit dans le brevet français NO 2.219.424, qui utilise une correction électronique à posteriori des signaux issus des photomultiplicateurs, un autre exemple étant décrit dans le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique Nu 3.745.345, qui utilise une mémoire relativement importante dans laquelle sont stockés tous les facteurs de correction, point par point, des coordonnées calculées. L'invention appartient à la seconde famille des dispositifs électroniques de correction. Elle s'appuie sur un phénomène de symétrie, constatée par la Demanderesse, dans le relevé point par point des facteurs de correction. En effet, si l'on soumet par exemple le scin- tillateur à un éclairement provenant d'une source pontuelle de rayonne- ment Y, le long d'une ligne coupant l'axe d'un tube, on obtient une courbe de distribution de la lumière telle que--représentée à la figu- re 4, dans laquelle l'axe des abcisses représente la position de la source par rapport à l'axe du tube photomultiplicateur, et l'axe des ordonnées l'intensité du signal de sortie. D'une manière équivalente, on a représenté à la figure 5 la non linéarité spatiale d'une caméra de type Anger. L'axe des abcisses représente la position de la source pontuelle par rapport à l'axe, et l'axe des ordonnées l'erreur absolue entre la position calculée X' et la position vraie X. Cette erreur est pratiquement nulle aux centres des tubes photomultiplicateurs, et elle augmente avec la distance de la source au centre, passe par un maximum pour s'annuler ensuite à égale distance des centres de deux tubes photo- multiplicateurs adjacents. L'image résultant d'un flux uniforme de rayons y, possède ainsi une plus forte densité de distribution lumi- neuse, aux régions centrales des divers tubes photomultiplicateurs. Ces concentrations plus élevées sont souvent appelées "point chaud", et sont gênantes dans le cas d'une étude médicale en vue d'un diagnos- tic, car elles peuvent simuler des points d'accumulation du traceur radioactif. La courbe représentée à la figure 5 présente une symétrie par rapport à l'axe central ( A) du photomultiplicateur, et ceci quelle que soit la ligne coupant l'axe du tube, sur laquelle se déplace la source ponctuelle. Il est apparu ainsi, des relevés effectués par la Demanderesse, que l'erreur constatée ne dépend que de la distance à l'axe et non pas de sa position angulaire. L'invention consiste donc à traduire la position de la source, de ses coordonnées cartésiennes (x, y) en coordonnées polaires (r, C), par rapport au centre du tube photomultiplicateur le plus proche, puis à effectuer une correction, en fontion de son module r, à partir de facteurs de correction, identiques pour tous les tubes, et stockés dans une mémoire de faible capacité (par exemple de 32 mots de 4 bits chacun), enfin de retransformer en coordonnées cartésiennnes. La fi- gure 6 représente le schéma synoptique du dispositif de correction des coordonnées, selon la présente invention. Ainsi, à partir des signaux émis par une caméra à scintillations 30, un dispositif de calcul des coordonnées délivre, de manière identique à ce qui est connu de l'art antérieur, les deux signaux x et y représentant les coordonnées de la source. Un dispositif de sélection 40, permet alors de sélectionner les coordonnées du tube photomultiplicateur le plus proche de la source de scintillation, soit x et y ces coordonnées. Ces coordonnées x et y0 sont appliquées aux bornes négatives de deux amplificateurs opéra- tionnels (soustracteurs) 41 et 42, alors qu'aux bornes positives sont appliquées les coordonnées x et y. Ces deux soustracteurs 41 et 42 dé- livrent respectivement les nouvelles abscisses X et ordonnées Y, dans un nouveau système d'axes, ayant pour origine le centre du tube photo- multiplicateur le plus proche. Ces deux signaux sont alors appliqués aux deux entrées du dispositif 43, dit vecteur-module, et qui délivre en sortie la racine carrée de la somme des carrés des signaux appliqués, soit le module R du vecteur ayant pour composantes les deux signaux d'entrée. Ce module R est alors appliqué à un dispositif mémoire 44, dans lequel sont stockés des facteurs de correction et que l'on décrira plus en détail ci-après. Le dispositif mémoire 44 délivre un signal cor- rigé, dont la valeur est fonction du signal d'entrée. Il peut se pré- senter par exemple sous la forme d'une mémoire de trente deux mots de quatre bits chacun; soit R le module calculé, et R' le module corrigé, le dispositif mémoire 44 délivre en sortie un signal qui est en fait l'erreur relative commise sur le module, et qui est représenté par l'expression R' - R C = R Des multiplicateurs 45 et 46 corrigent les coordonnées modifiées X et Y, en les multipliant par le facteur de correction C. Des addition- neurs 47 et 48 aux entrées desquels sont appliquées les anciennes coor- données x et y, et les corrections à y ajouter X.C et Y.C, délivrent en leurs sorties, les coordonnées corrigées x-' et y', dont l'expression mathématique peut être représentée par: x' x + X (ZL -_) = x + (x-x0) r lY =Y + Y (r)- r yO + (y-yo)..' La figure T représente plus en détail le dispositif de sélection du tube photomultiplicateur le plus proche de la scintillation. Il comprend deux dispositifs d'échantillonnage et de maintien, référencés 51 et 52, auxquels sont appliquéesles deux coordonnées calculées x et y. Les signaux délivrés en sortie de ces deux dispositifs, et qui sont en fait les signaux de coordonnées dont l'amplitude est maintenue constante, sont appliqués à un dispositif comparateur 53, qui compare lesdites coordonnées maintenues aux coordonnées d'un certain nombre d'axes de la figure 1, représentant l'agencement des divers tubes photomultiplica- teurs; les coordonnées d'un axe Ai, soient alors xi et yi, étant appliquées au comparateur 53, en permanence. Ces divers axes sont les droites tangentes aux cercles, représentant les tubes photomultiplica- teurs, et sont dessinées en traits pointillés sur la figure 1. Le com- parateur 53 détermine par pesages successifs de quels côtés des axes se trouve la scintillation, d'une manière connue en soi, et il délivre en sortie le numéro du tube photomultiplicateur le plus proche de la scintillation, sous une forme binaire. A partir de ce signal, un multi- plexeur 54 délivre-en sortie les coordonnées x0 et y0 du tube photomul- tiplicateur sélectionné, le plus près de ladite scintillation. Le signal l assure le verrouillage et le déverrouillage de l'ensemble du traitement de signal décrit ci-dessus. Le signal se com- porte comme un signal d'autorisation pour chaque étape du traitement, lorsque la scintillation possède une valeur d'énergie suffisante. Pour ce faire, le signal t est appliqué à un double détecteur à seuil, de référence 55. En d'autres termes, un signal d'autorisation n'est ap- pliqué aux divers circuits du dispositif de sélection que si l'énergie de ladite scintillation est comprise dans une fenêtre prédéterminée si l'énergie de la scintillation est par exemple plus faible que le seuil inférieur, le double détecteur à seuil 55 ne délivre pas en sor- tie de signal d'autorisation. Pour le fonctionnement d'un tel détec- teur, on pourra se reporter par exemple à l'article paru, dans Microélectronique, avril 1976, sous le titre "Applications du double détecteur de seuil, à fenêtre ajustable" par G. GEHRIAG et J.M. ZULAUF. Des lignes à retard peuvent être ajoutées de manière à assurer la com- pensation des divers temps de transit des signaux, dans le dispositif. Enfin la figure 8 représente la mémoire, qui stocke les fac- teurs de corrections sous la forme par exemple de mots de quatre bits. Etant donné le principe de correction, propre à la présente invention, en fonction uniquement de la distance r, une capacité de mémoire de trente deux mots s'avère largement suffisante, pour approcher de manière satisfaisante la fonction analogique de correction. Cette dis- tance r est appliquée à l'entrée de la mémoire, sous la forme d'un nom- bre binaire, de cinq bits représentant l'adresse des trente-deux fac- teurs de correction. Une telle mémoire, dont le fonctionnement ne sera pas décrit plus en détail ici peut être par exemple une mémoire morte (telle que la ROM, de Texas, référence SN 74187) ou une mémoire programmable (PROMSN 74186). Selon une première réalisation de l'invention, les facteurs de correction sont identiques pour tous les tubes, ce qui offre l'avan- tage d'une plus grande simplicité. Selon une deuxième réalisation de l'invention, les facteurs de correction sont identiques pour les tubes appartenant à une même couronne, dans le réseau compact recouvrant la surface du cristal scin- tillateur. Cette variante offre l'avantage d'une plus grand exactitude, mais entralne quelques modifications dans le traitement des signaux de coordonnées, notammment en ce que le signal, délivré, par le compara- teur 53, et indiquant le numéro du tube photomultiplicateur le plus près du centre d'émission lumineuse est dérivé vers une deuxième mémoire qui délivre un second facteur de correction, qui dépend de la couronne dans laquelle est situé ledit tube. Il est bien évident que de nombreuses variantes peuvent être imaginées par l'homme de l'art, sans sortir pour cela du cadre de la présente invention, tel que défini ci-après. REVENDICATIONS: 1. Appareil destiné à former une image d'une distribution de radiations, et comprenant un cristal scintillateur produisant des émissions lumineuses en réponse à des radiations incidentes, plusieurs photomultiplicateurs formant un réseau compact qui recouvre de façon déterminée une surface dudit cristal scintillateur, chaque photomulti- plicateur ayant sa surface photosensible qui fait face audit cristal et engendrant un signal de sortie en réponse à l'émission lumineuse captée, et des circuits de calcul des coordonnées des sources d'émis- sion lumineuse, à partir des signaux qui leur sont appliqués, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre un système de correction des coor- données calculées, ces corrections étant déterminées pour chaque source à partir de sa distance au centre du photomultiplicateur le plus près. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de correction se compose au moins d'un premier disposi- tif destiné à déterminer les coordonnées du centre du tube photomulti- plicateur le plus près de l'émission lumineuse, d'un second dispositif destiné à calculer la distance de ladite source d'émission lumineuse au centre dudit tube photomultiplicateur, et d'un troisième dispositif qui corrige les coordonnées de ladite source à partir de facteurs de correction délivrés par une mémoire, ces facteurs de correction ne dépen- dant en fait que de la distance de ladite source au centre dudit tube. 3. Appareil selon là revendication 2, caractérisé en ce que les facteurs de correction sont identiques pour tous les tubes. 4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les facteurs de correction sont identiques pour tous les tubes appartenant à une même couronne, dans le réseau recouvrant la surface du cristal scintillateur.