Brevet FR2488995A1 — publié le 19820226

"Dispositif d'examen au moyen d'un rayonnement dispersé pour la détermination de structures internes d'un corps. La présente invention concerne un dispositif d'examen pour la détermination de structures internes d'un corps, comportant au moins une source de rayonnement pour produire un faisceau de rayons primaire de section transversale faible traversant le corps et présentant au moins trois énergies de rayonnement distinctes, au moins un diaphragme à fente pré- sent en dehors du trajet du faisceau de rayons primaire et présentant une ouverture en forme de fente, qui s'étend dans une direction à peu près transversale au faisceau de rayons primaire, un dispositif détecteur s'étendant transversalement à la longueur de la fente et comportant des détecteurs sépa- rés pour la détection d'un rayonnement parasite produit par le faisceau primaire dans le corps et traversant l'ouverture en forme de fente et un dispositif électronique pour le trai- tement et la reproduction de signaux de détecteurs. Un tel dispositif est décrit dans la demande de brevet allemand publiée OS 27 13 581. Le dispositif de ce brevet ne permet cependant de produire que des représentations qua- litatives directes, par exemple d'images de couches d'un corps tridimensionnel sans mesures de correction supplémen- taires. Si par exemple, il faut également tenir compte de l'affaiblissement du rayonnement le long du trajet parcouru par le faisceau primaire ou par le rayonnement parasite, les valeurs de mesure obtenues au moyen du dispositif doivent être corrigées conformément aux méthodes de correction également décrites dans la demande de brevet allemand publiée OS 27 13 581, ce qui rend nécessaire l'utilisation d'une machine à cal- culer numérique. Pour corriger une mesure de superficie du corps, on commence par exemple par analyser dans cette superficie du corps une ligne dont le rayonnement parasite atteint le dis- positif détecteur sans être affaibli ou atténué par un tissu intermédiaire. Le rayonnement parasite émis par la première cellule de cette ligne n'est pas encore soumis à une atténuation et peut dès lors être utilisé directement comme mesure de la densité dans cette cellule. Un rayonnement pri- maire atteignant la deuxième cellule de cette ligne est di- minuée de l'énergie convertie en rayonnement parasite dans la première cellule et, étant donné que cette partie est connue par la mesure de la première cellule, il est possible d'en tenir compte par une augmentation correspondante d'un signal de sortie du détecteur associé à la deuxième cellule, par rapport au signal de sortie du détecteur associé à la première cellule. Pour une troisième cellule de cette ligne, il faut d'une manière correspondante tenir compte de l'affai- blissement par les deux premières cellules, etc.. Pour une première cellule d'une ligne suivante, le rayonnement primai- re n'est certes pas non plus affaibli mais le rayonnement pa- rasite provenant de cette cellule est affaibli par les cel- lules de la ligne précédente disposées entre la fente et cette cellule. Etant donné que l'affaiblissement du rayonnement par ces cellules est cependant déjà déterminé dans la mesure précédente, la valeur de mesure associée à la première cellu- le de la deuxième ligne peut être corrigée en fonction de cette mesure précédente. Pour le signal de sortie du détec- teur qui mesure le rayonnement parasite produit dans la deuxième cellule de la deuxième ligne il faut tenir compte d'une part d'un affaiblissement du faisceau primaire par la première cellule de cette ligne et d'autre part de l'affai- blissement du rayonnement parasite par les cellules des lignes voisines. A l'aide de cette méthode de correction, des régions internes de couches du corps ne peuvent donc être reproduites entièrement corrigées que lorsque les régions extérieures de la couche du corps à reproduire sont également traversées par le rayonnement. De plus, lors de l'utilisation de cette méthode de correction, seul le rayonnement parasite produit par le faisceau primaire dans le corps et s'étendant prati- quement dans le plan de la couche à reproduire devrait être mesuré parce que les coefficients d'affaiblissement corres- pondants pour les points d'image séparés de l'image de couche ne sont alors pas perturbés par des régions à forte absorp- tion (os, occlusions de gaz, etc.) se trouvant éventuellement en dehors de la couche du corps à reproduire. L'invention a pour but de procurer un dispositif à rayonnement dispersé pour la détermination de la structure interne d'un corps au moyen duquel, sans utiliser une telle méthode de correction, on puisse former des images de couches améliorées d'une manière simplifiée. - Suivant l'invention, on atteint ce but par le fait que chaque détecteur fournit des signaux de sortie de détecteur dépendant de l'énergie du rayonnement incident et est connecté à un circuit électronique pour former des signaux de détec- teur parasites à partir des énergies de rayonnement primaire séparées et le dispositif est en outre équipé d'une mémoire électronique pour le stockage de signaux de comparaison para- sites qui sont enregistrés par un même dispositif d'examen et de la même manière à l'aide d'un corps de comparaison connu, la mémoire électronique étant connectée au dispositif de traitement électronique qui est équipé pour comparer les si- gnaux parasites et les signaux de comparaison parasites pour des énergies de rayonnement différentes et pour déterminer la structure interne du corps à partir des signaux parasites et des signaux de comparaison parasites ainsi comparés les uns avec les autres. Les signaux parasites (S) ou les signaux de comparaison parasites (V) (intensités de rayonnement) mesurés pour une énergie de rayonnement pour une région du corps traversée par le faisceau primaire, sont, comme déjà mentionné plus haut, dépendants de la densité des électrons dans la région du corps, de l'affaiblissement du rayonnement primaire dans le corps jus- qu'à cette région du corps et de l'affaiblissement du rayonne- ment parasite dans le corps. Ces trois grandeurs représentent des inconnues. Si les signaux parasites sont à présent compa- rés aux signaux de comparaison parasites qui ont été obtenus au préalable d'un corps de comparaison connu, par formation par exemple du quotient du signal parasite et du signal de comparaison parasite et de son logarithme (ln(S/V)), les trois inconnues peuvent être déterminées si ceci se produit pour un point du corps chaque fois pour au moins trois énergies de rayonnement différentes. Les grandeurs correspondantes pour le corps de comparaison sont alors connues. La comparai- son d'un signal parasite avec un signal de comparaison parasi- te doit cependant chaque fois être réalisée pour la même énergie de rayonnement. De cette façon, une détermination simple par exemple de la répartition de la densité des élec- trons dans la région du corps traversée par le faisceau primaire et ainsi une reproduction par exemple d'images en couches du corps sont possibles lorsque ceci est réalisé pour un grand nombre de trajets de rayonnement, par exemple paral- lèles, situés dans le plan de la couche. Ces images de couches ne doivent plus être corrigées pour l'affaiblissement du rayonnement primaire ou parasite. En particulier, une reproduction d'images de couches quali- tativement bonne située à l'intérieur d'un plan du corps est possible, c'est-à-dire qu'il n'est plus nécessaire de mesurer la totalité du plan de coupe du corps. Naturellement, des images de couche d'un corps qui ne sont pas situées dans un plan peuvent aussi être produites. Il est encore avantageux que par exemple des grandeurs comme la sensibilité des détecteurs, la dépendance de l'é- nergie de la dispersion multiple dans le corps etc. n'aient plus aucune influence sur la qualité de la couche ou de la structure du corps reconstruite. Lors de la comparaison des signaux parasites et des signaux de comparaison parasites, elles s'annulent mutuellement si le corps et le corps de com- paraison sont enregistrés de la même manière avec le même dispositif d'examen à rayonnement dispersé, c'est-à-dire s'ils sont traversés par le même rayonnement primaire. Le corps et le corps de comparaison devraient alors autant que possible se ressembler. Suivant une forme d'exécution avantageuse de l'inven- tion, la source de rayonnement est faite d'une source de rayons X ou d'au moins trois rayonnements gamma provenant de substances émettant de l'énergie différentes. De cette façon, on peut disposer d'une manière simple de rayonnement comportant au moins trois énergies de rayon- nement différentes. Dans une autre forme d'exécution de l'invention, le dispositif détecteur comporte chaque fois plusieurs détec- teurs dans une ligne passant par un détecteur et parallèle à la direction d'extension principale de l'ouverture en forme de fente. Le rayonnement parasite mesuré chaque fois par un détec- teur sur une ligne (rangée de détecteurs) est alors utilisé pour la détermination de la structure interne du corps, par exemple de la densité des électrons de la substance du corps sur la région du corps correspondante émettant le rayonne- ment parasite. La moyenne des densités d'électrons ainsi obtenues est ensuite calculée. Des structures du corps par exemple fortement absorbantes peuvent alors être localisées entre la région activée du corps et les détecteurs et on peut en tenir compte par exemple, lors du calcul de la mo- yenne, en pondérant les densités d'électrons associées au détecteur correspondant de la manière correcte. Un tel dispo- sitif détecteur permet d'augmenter la précision de la recons- truction. La qualité de l'image est améliorée davantage par mesure d'un plus grand nombre des photons parasites émis par le centre de dispersion. Par le fait que le détecteur linéaire tel que décrit dans le brevet allemand 2 713 581 n'a pas de pouvoir de résolution local dans le sens linéaire, aucune structure fortement absorbante (os, occlusions d'air) située entre la région du corps activée et le dispositif dé- tecteur ne peut être reconstruite et on ne peut pas en tenir compte de sorte que la densité des électrons dans la région activée du corps n'est à cet endroit pas bien reproduite. Des exemples de réalisation de l'invention seront dé- crits ci-après avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe transversale du dis- positif d'examen conforme à l'invention; - la figure 2 est un schéma synoptique pour le traite- ment des signaux de sortie de détecteur chaque fois pour un détecteur; la figure 3 est une vue en perspective du dispositif d'examen, et - la figure 4 illustre un dispositif formant source de rayonnement qui comporte trois sources de rayonnement dis- tinctes d'énergies de rayonnement différentes. La figure 1 est une vue en coupe d'un dispositif d'exa- men conforme à l'invention. Ce dispositif comporte par exem- ple une source 1 de rayons X dont le rayonnement polychroma- tique est diaphragmé au moyen d'un diaphragme 2 jusqu'à un faisceau primaire 3 de section transversale mince qui tra- verse un corps 5 couché sur une table 4. Le faisceau primaire 3 suit alors un trajet de rayonnement primaire qu'il définit lui-même. Les rayonnements parasites 6, 6' produits dans la région du corps 5 traversée par le faisceau primaire 3 attei- gnent chacun un dispositif détecteur 9, 9' respectif à tra- vers des diaphragmes à fente 7, 7' disposés respectivement de part et d'autre du faisceau primaire 3, les ouvertures en forme de fente 8, 8' de ces diaphragmes qui peuvent de préfé- rence être déplacées dans le sens de leur largeur s'étendant perpendiculairement au faisceau primaire 3. Les dispositifs détecteurs 9, 9' sont formés de détecteurs séparés 10, 10' qui sont situés les uns à côté des autres sur une ligne droi- te parallèle au faisceau primaire 3. Les détecteurs 10, 10' peuvent par exemple être disposés en bandes et être agencés d'une manière telle que leur direction d'extension principa- le soit parallèle aux ouvertures en forme de fentes 8, 8'. Pour l'analyse de diverses régions du corps, le corps 5 et le dispositif d'examen peuvent être déplacés l'un par rap- port à l'autre. Chaque détecteur des dispositifs 9, 9' fournit des si- gnaux de sortie de détecteur I(E) dépendant de l'énergie E du rayonnement parasite qui le frappe. L'énergie E du rayon- nement parasite est alors déterminée pour une énergie déter- minée E du rayonnement primaire et pour un angle de dispersion 6- déterminé que le rayonnement parasite forme avec le fais- ceau primaire 3 selon la formule de Compton connue de façon générale. La position des diaphragmes à fentes 7, 7' détermi- ne ainsi, pour chaque point situé sur le faisceau primaire 3, les angles 6 sous lesquels le rayonnement parasite est mesuré. La mesure dans laquelle le rayonnement parasite dépend de l'énergie n'est dès lors déterminée que par la mesure dans laquelle le rayonnement primaire dépend de l'énergie. La figure 2 est un schéma synoptique pour le traitement de signaux de sortie de détecteur. Un détecteur, par exemple le détecteur 10, est chaque fois connecté à un circuit élec- tronique 11 qui, parmi les photons parasites d'énergies dif- férentes parvenant sur le détecteur 10, qui sont produits à partir des rayons X polychromatiques, enregistre des photons parasites pour trois énergies différentes seulement, à savoir I(El), I(E2) et I(E3). A partir des signaux de sortie de dé- tecteurs associés chaque fois à une de ces énergies de rayon- nement parasite El, E2 et E3, on forme alors des signaux pa- rasites S(El), S(E2), S(E3). Le circuit électronique 11 peut comporter à cet effet par exemple trois circuits 12 formant fenêtre d'énergie qui ne produisent un signal de sortie que lorsque le signal d'entrée (signal de sortie de détecteur) se trouve dans un domaine de grandeur déterminé qui correspond à un domaine d'énergie prédéterminé du rayonnement parasite. Les signaux de sortie des circuits 12 appartenant chaque fois à un même domaine d'énergie sont alors additionnés pour la production de signaux parasites S(El), S(E2), S(E3) ce qui peut aussi s'effectuer dans le circuit électronique 11. Un signal parasite qui est capté au moyen d'un détecteur peut chaque fois être représenté sous la forme suivante S(El) N(El) dn El) 7k Eexp- p(El, ll)dl.lj r exP-jJu(El,12)dl2 (1) Cette formule 1 est valable pour toutes les énergies El, E2, E3, etc.. Dans ce cas, comme déjà mentionné plus haut, S(El) est l'intensité du rayonnement dispersé avec l'énergie El, N(El) et l'intensité du rayonnement primaire à l'extérieur du corps 5 avec l'énergie El, d ((El)/d flest la section effi- cace différentielle pour la dispersion du rayonnement primai- re Y k est la densité des électrons du corps 5 dans le point P considéré (voir Fig. 1), le quatrième terme est l'affai- blissement du faisceau primaire 3 entre la source de rayon- nement 1 et le point P considéré (trajet 11) et le cinquième terme est l'affaiblissement du rayonnement dispersé entre le point P du corps et le détecteur mesurant le rayonnement parasite (trajet 12). Pour des énergies supérieures à 100 KeV, dans le cas d'une matière biologique, c'est principalement la dispersion selon le coefficient d'affaiblissement y (voir la formule 1), qui constitue un apport, ce qui peut être écrit de la maniè- re suivante: 12(E,1) = 6(E). Dans ce cas 6-(E) est la section efficace de dispersion de Klein-Nishina totale et f (1) est la densité des électrons qui dépend de l'endroit considéré. Après utilisation de la formule 2 dans la formule 1, les signaux parasites S(E1), S(E2), S(E3) sont amenés à une machine à calculer électronique 13 à laquelle le circuit électronique 11 est connecté électriquement et qui fait par- tie du dispositif de traitement électronique 14. A la machine à calculer électronique 13 est connectée simultanément une mémoire électronique 15 dans laquelle sont stockés des si- gnaux de comparaison parasites V(El), V(E2), V(E3) qui cor- respondent aux signaux parasites S(El), S(E2), S(E3) et qui sont enregistrés dans les mêmes conditions que ceux-ci c'est- à-dire avec les mêmes énergies de rayonnement El, E2, E3, sur un corps de comparaison connu correspondant au corps à exa- miner au moyen du même dispositif d'examen. Le corps de com- paraison (non représenté) peut par exemple être un "hydro- fantôme". La comparaison entre des signaux parasites et des signaux de comparaison parasites dans la machine à calculer 13 est exécutée d'une manière telle que pour chaque énergie El, E2, E3, on forme le quotient S(El)/V(El2) etc. à partir d'un si- gnal parasite et d'un signal de comparaison parasite et on prend le logarithme. On obtient donc un jeu de trois formules à trois inconnues. La formule pour le rayonnement dispersé à énergie El est la suivante: n k(El) n k _(l) f- r'(11)- Y, (11)j dll- 6(El) lnS V(El) = in útk (12)- Y, (12)3 d12 (3) Pour E2 et E3, des formules correspondantes sont valables. L'indice k désigne ainsi le corps 5 à examiner tandis que l'indice v désigne le corps de comparaison. On peut donc déterminer à partir du système de formules 3 (formules pour El, E2, E3) la densité des électrons Y'k chaque fois pour un point du corps P traversé par le faisceau primaire 3. Les densités d'électrons 't(11) ou Y (12) du corps de comparaison sur le trajet il du rayonnement primaire ou sur le trajet 12 du rayonnement parasite sont connues et il en est de même des sections efficaces de dispersion de Klein-Nishina dO(El), e(El) (et de manière correspondante pour les énergies E2, E3). L'énergie du rayonnement dispersé El peut, comme mentionné plus haut, être calculée au moyen de la formule de Compton à partir de l'énergie El du rayonne- ment primaire. Naturellement, des photons peuvent aussi être détectés pour plus de trois énergies de rayonnement. Le cir- cuit électronique ll devrait à cet effet simplement compor- ter d'autres circuits 12 (ou des canaux supplémentaires d'un canal multiple). Le système de formules ainsi obtenu serait alors ensuite minimalisé de la façon correcte. Un détecteur 10, 10', etc. est donc connecté chaque fois à un circuit électronique 11 dont un seul est représenté sur la figure 2, ces circuits étant tous connectés à la machine à calculer 13. La mémoire 15 contient également les signaux de comparaison parasites pour tous les points situés 3.5 sur le faisceau primaire 3 traversant le corps de comparai- son. Les densités d'électrons Yek déterminées par la machine à calculer 13 ou les grandeurs qui en sont dérivées peuvent alors être reproduites sur un moniteur 16 ou être stockées dans une mémoire de masse 17 (bande magnétique, disque de mémoire ou l'équivalent). La figure 3 est une vue en perspective du dispositif à rayonnement dispersé conforme à l'invention. Le diaphrag- me à fente 7 présente dans ce cas une longue ouverture en forme de fente 8 de sorte qu'un faisceau de rayons dispersé 6 partant du point P du corps et activé par le faisceau de rayons primaire 3 est produit sbivant un très grand angle d'ouvertureo". Ce faisceau de rayons dispersé 6 atteint une ligne de détecteurs qui est formée de détecteurs lOa, b, etc. séparés qui sont situés sur une parallèle à l'ouverture en forme de fente 8 perpendiculaire au faisceau primaire 3. L'ensemble du dispositif détecteur 9 ou le diaphragme à fente 7 peut dans un cas extrême cependant aussi entourer complè- tement le faisceau primaire,par exemple sous la forme d'un cylindre, le faisceau primaire 3 suivant alors l'axe du cylindre. Chaque détecteur sépare du dispositif détecteur 9 (ayant la forme d'un cylindre ou d'une matrice de détec- teurs bidimensionnelle) est alors connecté à un circuit élec- tronique propre 11 (non représenté) par l'intermédiaire des connexions a à d etc.. Une grandeur caractérisant la structure interne du corps 5, par exemple la densité des électrons CPk' peut alors être dérivée chaque fois au moyen d'un détecteur du dispositif détecteur. Les densités d'élec- trons d'une même ligne de détecteurs se rapportent chaque fois alors à un même point P du corps. A partir de ces densités, on peut déterminer une densité d'électrons améliorée sur le point P du corps par exemple par le calcul d'une valeur moyenne pondérée. Il va de soi que les détecteurs 10a, b etc.. d'une li- gne de détecteurs peuvent aussi être remplacés par un seul détecteur en forme de barre qui présente un pouvoir de ré- solution local dans le sens de la ligne, de sorte que l'in- tensité du rayonnement dispersé peut être mesurée pour des sections de lignes différentes (voir fig. 2). A cet effet, on peut utiliser par exemple des scintillateurs en forme de il barres comportant des photomultiplicateurs placés sur les extrémités de la barre, dont les signaux de sortie sont traités selon le principe de la caméra de Anger. La longueur de la barre doit alors être parallèle à l'ouverture en forme de fente 8 ou perpendiculaire au faisceau primaire 3. Une autre source de rayonnement 1' pour l'émission d'un rayonnement primaire présentant au moins trois énergies de rayonnement différentes est représentée sur la figure 4. La source de rayonnement 1' comporte trois sources de rayonne- ment séparées 18a-c émettant des rayons Y, par exemple cha- que fois une de 137Cs de rayonnement pour chaque source de rayonnement distincte. Le disque 19 tourne à une vitesse angulaire correcte autour d'un axe 21 de sorte que les sources de rayonnement séparées 18a à c parviennent les unes à la suite des autres devant une ouverture de sortie 22 d'un boîtier de protection con- tre le rayonnement 23. Le faisceau de rayons primaire 24 passant chaque fois par l'ouverture de sortie 22 est alors collimaté à nouveau au moyen d'un diaphragme 25. Le circuit électronique 11 comporte dans ce cas trois circuits 12 for- mant des fenêtres d'énergie par exemple des analyseurs de hauteur d'impulsion qui sont accordés sur les énergies de rayonnement des sources de rayonnement distinctes 18a à c. Naturellement, les sources de rayonnement distinctes 18a à c peuvent aussi être disposées d'une autre manière correcte par rapport à une ouverture de sortie de rayonne- ment ou peuvent être déplacées, par exemple de manière li- néaire. A titre d'autres sources de rayonnement, on peut cependant aussi utiliser un mélange des trois substances émettrices de rayons rayonnement 18a à c. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'examen pour la détermination de struc- tures internes d'un corps (5) comportant au moins une source de rayonnement (1,1') pour produire un faisceau de rayons primaire de section transversale faible traversant le corps et présentant au moins trois énergies de rayonnement distinc- tes, au moins un diaphragme à fente (7) présent en dehors du trajet du faisceau de rayons primaire et présentant une ouverture en forme de fente (8) qui s'étend dans une direc- tion à peu près transversale au faisceau de rayons primaire (3), un dispositif détecteur (9) s'étendant transversalement à la longueur de la fente et comportant des détecteurs (10) séparés pour la détection d'un rayonnement parasite produit par le faisceau primaire dans le corps et traversant l'ouver- ture en forme de fente et un dispositif électronique (14) pour le traitement et la reproduction de signaux de détecteurs, caractérisé en ce que chaque détecteur fournit des signaux de sortie de détecteur dépendant de l'énergie du rayonnement incident et est connecté à un circuit électronique (11) pour former des signaux de détecteurs parasites S(El), S(E2), S(E3)) à partir des énergies de rayonnement primaire séparées (I(El), I(E2), I(E3)) et le dispositif est en outre équipé d'une mémoire électronique (15) pour le stockage de signaux de comparaison parasites (V(El), V(E2), V(E3)) qui sont enre- gistrés par un même dispositif d'examen et de la même maniè- re à l'aide d'un corps de comparaison connu, la mémoire élec- tronique étant connectée au dispositif de traitement électro- nique (14) qui est équipé pour comparer les signaux parasi- tes et les signaux de comparaison parasites (S(El), V(El); S(E2), V(E2); S(E3),-V(E3)) pour des énergies de rayonne- ment différentes et pour déterminer la structure interne du corps à partir des signaux parasites et des signaux de com- paraison parasites ainsi comparés les uns aux autres. 2.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la source de rayonnement (1) est une source de rayons 'X. 3.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la source de rayonnement comporte au moins trois substances émettrices de rayons Y d'énergies différentes. 4.- Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que trois substances émettrices de rayons Y sont dis- posées séparées les unes des autres et peuvent être amenées les unes à la suite des autres devant un dispositif collima- teur (22, 25) pour diaphragmer un faisceau de rayons primai- re. 5.- Dispositif suivant la revendication 3 ou 4, caracté- risé en ce que les substances émettrices de rayons Y sont le 137Cs(0,66 MeV), le 203Hg(0,28 MeV) et le 57Co(0,12 MeV). 6.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif détecteur (9) comporte chaque fois plusieurs détecteurs (lOa, lOb) dans une ligne passant par un détecteur et parallèle à la direction d'extension princi- pale de l'ouverture en forme de fente (8). 7.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les détecteurs comprennent des scintillateurs en forme de barres comportant des photomultiplicateurs placés sur les extrémités de la barre et la longueur de la barre est parallèle à la direction d'extension principale de l'ouver- ture en forme de fente (8). 8.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que le diaphragme à fente (7) et le dispositif détecteur (9) entourent de manière cylindri- que le faisceau de rayons primaire (3) qui s'étend le long de l'axe du cylindre.