Brevet FR2524690A1 — publié le 19831007

COLLIMATEUR A OUVERTURE DIVERGENTE L'invention concerne un collimateur à ouverture divergente pour faisceau de particules, plus particulièrement un faisceau neu tronique nécessitant une épaisseur de blindage importante. En neutronothérapie, il est nécessaire de localiser précisément la zone du corps humain qui doit être soumise à l'action des neutrons et donc d'avoir une délimitation aussi précise que possible des bords du faisceau avec une absorption du rayonnement aussi complète que possible partout ailleurs. L'absorption dépend de épaisseur de matériau dense (plomb, tungstène) interposé entre la source et le sujet ; le collimateur, notamment, étant constitué d'éléments mobiles, réalisés dans un tel matériau. On sait réaliser des collimateurs dont l'ouverture de dimensions ajustables est à section constante (carrée ou rectangulaire) sur toute épaisseur du blindage.Cependant, la source émet des rayonnements dans toutes les directions de l'espace et certains rayons qui devraient être absorbés par le collimateur mais qui ont une incidence faible par rapport à l'axe de ce collimateur ne traversent qu'une partie de l'épaisseur de ce dernier puisque l'autre partie de leur trajet s'effectue dans l'ouverture. L'atténuation autour de la zone sélectionnée par l'ouverture du collimateur est donc médiocre, ladite zone sélectionnée pour l'irradiation maximum étant entourée par une sorte de halo d'irradiations parasites s'atténuant progressivement au fur et à mesure que l'on s'éloigne de l'axe du collimateur.Pour remédier à cela on connaît un collimateur à ouverture divergente, c'est-à-dire, dont les parois définissant l'ouverture dans le sens de l'épaisseur sont in clinées par rapport à son axe principal de symétrie suivant des plans définissant une sorte de pyramide dont le sommet est confondu avec un point dudit axe où se trouve placée la source de rayonnement. Un tel collimateur comporte quatre blocs épais disposés sur deux niveaux différents entre la source et le patient. Deux blocs, par leur écartement variable, délimitent le faisceau suivant une direction et les deux autres blocs, par leur écartement également variable, délimitent le même faisceau suivant une autre direction de l'espace perpendiculaire à la première.L'agencement est tel que les parois latérales de ces blocs, dans le sens de l'épaisseur du collimateur, convergent toujours vers le point de l'axe principal de symétrie où se trouve placée la source. Le halo parasite sus-mentionné est ainsi pratiquement éliminé. Dans un tel type de collimateur, si on désire que l'atténuation de rayonnement à l'extérieur de la zone délimitée par l'ouverture soit en tous points inférieure à une valeur donnée, on en déduit l'épaisseur minimum de matériau à interposer entre la source et le patient. Compte tenu de la géométrie particulière de ce collimateur, on est donc obligé de donner à chaque niveau de blocs l'épaisseur totale calculée. L'épaisseur du collimateur est donc le double de épaisseur théorique. L'invention propose un collimateur à ouverture divergente dont l'épaisseur totale n'est pas supérieure à l'épaisseur théorique calculée. Selon l'invention, ce but est atteint en divisant l'épaisseur du collimateur en une pluralité de couches, des blocs de ces couches étant assujettis à s'écarteur proportionnellement à leur éloignement de la source. Plus précisément, I'invention concerne un collimateur à ouver ture divergente pour faisceau de particules, ladite ouverture ayant un axe principal de symétrie prévu pour être aligné avec une source de rayonnement, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de couches parallèles d'un matériau absorbant ledit rayonnement, adjacentes les unes aux autres le long dudit axe principal de symétrie, en ce que chaque couche est matérialisée par la juxtaposition d'un même nombre de blocs mobiles, dont certains champs parallèles audit axe principal de symétrie sont en contact les uns des autres et matérialisent dans chaque couche un tronçon de l'épaisseur de ladite ouverture divergente et en ce qu'il comporte des moyens de posi tionnement homothétique des champs correspondants des blocs homologues des différentes couches, le centre d'homothétie étant confondu avec l'emplacement de ladite source de rayonnement, de façon que les plans de joint des champs en contact des blocs d'une couche soient ainsi masqués par une couche voisine. De préférence, chaque couche comporte quatre blocs ayant chacun deux champs précités perpendiculaires entre eux, ce qui permet de définir au niveau de chaque couche une fenetre carrée ou rectangulaire constituant le tronçon précité de l'épaisseur de ladite ouverture divergente. Comme on le verra plus loin en détail, les déplacements de deux blocs opposés symétriquement par rapport à l'axe principal de symétrie peuvent se ramener au produit d'une rotation et d'une translation. Ce mode de déplacement n'est cependant nullement limitatif et on notera qu'il est possible d'obtenir un résultat analogue par le produit de deux rotations autour de deux axes parallèles dont l'un est fixe. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de collimateur conforme à l'inven tion donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure I est une vue en plan d'une couche sus-mentionnée d'un collimateur de faisceau neutronique conforme à l'invention, ce collimateur comportant quatre blocs mobiles par couche; - la figure 2 est une élévation en demi-coupe partielle du collimateur de la figure 1, représenté complètement fermé, la demi-coupe étant menée suivant la ligne OA de la figure I - la figure 2a est une vue schématique de détails selon la flèche Il de la figure 2 et montrant une partie du mécanisme d'entraînement d'un groupe de blocs homologues; et - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2, le collimateur ayant une certaine ouverture de champ. En se reportant aux dessins on voit que le collimateur est composé par une pluralité de couches parallèles Cl, C2, C3, C4,C5 .. Cn d'un matériau absorbant le rayonnement considéré, par exemple du plomb ou du tungstène et chaque couche est constituée de quatre blocs Bil, Bi2, Bi3, Bi4 (I'indice i étant l'indice de la couche considérée) d'épaisseur constante donnée, juxtaposés de façon coplanaire et mobiles pour définir une fenêtre Fi carrée ou rectangulaire dont la section variable est assujettie à se développer autour d'un axe principal de symétrie SZ, fixe, perpendiculaire aux plans parallèles des couches et le long duquel on place la source de rayonnement. Le foyer d'émission supposé ponctuel de la source étant destiné à être placé au point S, on parlera de "la source S" dans la suite du texte.Selon la représentation adoptée, I'indice i des couches augmente au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la source S. Comme les fenêtres Fi admettent toutes le même axe principal de symétrie, elles peuvent donc définir l'ouverture divergente voulue du collimateur, aux conditions qui seront explicitées ci-après. Cette ouverture divergente 10 apparaît partiellement à la figure 3. Chaque bloc Bij comporte deux champs-ll, 12 perpendiculaires entre eux et parallèles à l'axe SZ et les blocs d'une couche sont en contact les uns des autres par leurs champs pour toute position stabilisée du collimateur, sur des longueur variables de façon à définir entre eux la fenêtre Fi correspondante, comme illustrée à la figure 1. Chaque fenêtre Fi a donc l'épaisseur d'une couche et constitue un tronçon de l'épaisseur totale de l'ouverture divergente 10. Sur la figure 1, les positions des blocs sont repérées par rapport à un système d'axes orthonormés XOY tel que chaque bloc s'inscrit exactement dans un quadrant dudit système d'axes lorsque le collimateur est complètement fermé, c'est-à-dire, lorsque toutes les fenêtres Fi ont une surface nulle (voir figure 2). A titre d'exemple, le bloc Bil est représenté en traits interrompus dans cette position, c'est-à-dire, avec l'arête de jonction de ses deux champs 11 et 12 placée au point O; il est donc, pour cette position, entièrement contenu dans le premier quadrant avec son champ 11 superposé à l'axe OX et son champ 12 superposé à l'axe OY.Bien entendu, I'origine O de chaque repère orthonormé de chaque couche est sur l'axe SZ et les axes X'OX et Y'OY restent parallèles entre eux de sorte que tous les champs 11 et 12 des différents blocs sont respectivement coplanaires lorsque le collimateur est fermé. On appelle blocs homologues tous les blocs de même indice j des différentes couches, c'est-à-dire, tous les blocs contenus, lorsque le collimateur est complètement fermé, dans un même dièdre droit défini par les trois directions orthogonales X'X, Y'Y et SZ. Selon une particularité essentielle de l'invention, le collimateur comporte des moyens de positionnement homothétique des champs correspondants 11 et 12 des blocs homologues définis cidessus, le centre d'homothétie étant confondu avec l'emplacement de la source de rayonnement S. Il existe plusieurs mécanismes de structures différentes capables d'assurer un tel positionnement homothétique, sachant qu'il s'agit d'obtenir un positionnement final des blocs respectant cette homothétie et non pas obligatoirement un déplacement la conservant à chaque instant. L'avantage principal de ce positionnement réside dans le fait qu'on est ainsi assuré que les plans de joint des champs en contact 11 et 12 des blocs adjacents d'une couche donnée soient masqués par la couche voisine.On élimine ainsi les faisceaux plan parasites qui s'étendraient au-dela de la zone carrée ou rectangulaire définie par une position d'ouverture donnée du collimateur, dans le prolongement des côtés de ladite zone, si le collimateur ne comportait qu'une seule couche. Par ailleurs, le but premier de l'invention, à savoir l'obtention d'un collimateur à ouverture divergente d'épaisseur totale n'excédant pas l'épaisseur théorique calculée pour une atténuation voulue en dehors de l'ouverture de champ, est bien atteint par le simple position nement homothétique des blocs des différentes couches. On va maintenant décrire le mode de réalisation des moyens de positionnement homothétique illustrés sur les dessins. La figure 1 montre que, pour une couche donnée, deux blocs Bil et Bi3 sont opposés symétriquement par rapport à l'axe SZ passant par O et montés articulés (grâce à des tourillons 14 res pectifs d'axes parallèles à l'axe SZ) sur deux supports à déplacement rectiligne 16 respectifs, lesquels sont agencés avec leur direction de déplacement perpendiculaire à l'axe SZ et sont alignés symétriquement par rapport à lui, plus particulièrement suivant la ligne A' A bissectrice des quadrants XOY et X'O Y'.De la même manière, les deux autres blocs Bi2 et Bi4 sont opposés symétriquement par rapport à l'axe SZ et sont montés articulés parallèlement à celui-ci (grâce à des tourillons 15 respectifs d'axes parallèles à l'axe SZ) sur deux autres support à déplacement rectiligne 17 respectifs, sembla bles aux supports 16, également agencés avec leur direction de déplacement perpendiculaire à l'axe SZ et alignés symétriquement par rapport à lui. En outre, la direction commune de ces deux supports 17 est perpendiculaire à celle des supports 16, ce qui signifie qu'ils sont disposés suivant les bissectrices des quadrants X'OY et Y'OX.Enfin, chaque bloc Bi2, Bi4, est monté sur son support 17 par l'intermédiaire d'une pièce formant biellette 19 articulée à chacune de ses extrêmités, d'une part au tourillon 15 correspondant et d'autre part à un autre tourillon 18, côté support, parallèle au tourillon 15. Chaque support 16 ou 17 se compose d'une partie coulissante 20 mobile entre des glissières fixes 22. Comme les blocs sont destinés à être déplacés par moteur, chaque support est muni d'un mécanisme de transformation d'un mouvement rotatif en mouvement rectiligne, lié à sa partie coulissante 20. Dans l'exemple décrit, il s'agit d'une vis sans fin Vij engagée dans des trous filetés de pions 24 solidaires de la partie coulissante 20 correspondante.Les vis sans fin des blocs homologues sont parallèles et agencés dans un plan passant par l'axe SZ ; elles sont bloquées en translation dans un support fixe 25 et chacune porte à son extrêmité une roue dentée 26. Toutes les roues dentées 26 correspondant à un groupe de blocs homologues sont entraînées par un seul moteur 28. A cet effet, celui-ci porte sur son axe une roue dentée d'entraînement 27 en prise avec les roues dentées 26 par l'intermédiaire d'une courroie crantée 29 ou analogue (voir figure 2a).D'autre part, comme les blocs homologues Bil et Bi3 d'une part et Bi2 et Bi4 d'autre part sont destinés à être déplacés suivant des mouvements symétriques par rapport à l'axe SZ, il est évident qu'un seul moteur tel que 28 est suffisant pour commander deux groupes de blocs homologues opposés grâce, par exemple, à un couplage par courroie crantée (non visible sur les dessins) ou analogue. La commande de rotation des blocs autour de leurs articulations respectives, 14, ou, 15 et 18, est opérée par d'autres moyens de transformation d'un mouvement rotatif en mouvement rectiligne 30, 31, respectifs représentés très schématiquement sur la figure 1 mais qui peuvent être très semblables aux supports 16 et 17.Deux moyens 30 d'une couche donnée sont agencés symétriquement par rapport à l'axe SZ et accouplés aux blocs Bil et Bi3 par l'intermédiaire d'une biellette 32 articulée à ses deux extrêmités. De même, deux moyens 31 de cette même couche sont agencés symétriquement à l'axe SZ et accouplés aux blocs Bi2 et Bi4 par l'intermédiaire d'une biellette 33 articulée à ses deux extrêmités. Les moyens 30 des blocs homologues correspondant aux quadrants XOY et X'OY' peuvent être commandés par des mécanismes analogues à ceux décrits plus haut pour les supports 16 et 17, en référence aux figures 2 et 2a ; il en va de même pour la commande des moyens correspondant aux quadrants X'OY et Y'OX. On va maintenant développer un raisonnement mathématique relatif à la géométrie du système pour expliciter les conditions que doivent remplir certains éléments de structure des moyens de positionnement des blocs pour conserver l'homothétie désirée entre les blocs des différentes couches pour toute position d'ouverture du collimateur. Il ressort clairement de la figure 1 que les dimensions de la fenêtre Fi d'une couche i (valeurs de x et y) sont entièrement déterminées par le positionnement des blocs Bil et Bi3 symétriquement par rapport à l'axe SZ passant par O. Une fois ces deux blocs positionnés de façon précise, il suffit en effet de ramener les blocs Bi2 et Bi4 vers l'axe SZ jusqu'à ce qu'ils viennent se bloquer contre les champs respectivement perpendiculaires des blocs Bil et Bi3. Un processus possible pour l'ajustement du collimateur consiste par exemple à écarter suffisamment les blocs Bi2 et Bi4, à mettre en place (par le produit d'une translation et d'une rotation) les blocs Bil et Bi3 puis à rapprocher les blocs Bi2 et Bi4 au contact de ceux-ci. On peut donc se limiter à rechercher les valeurs de la translation suivant la direction OA et de la rotation rP autour du tourillon 14 correspondant à un couple x, y donné, x et y étant respectivement la demi-longueur et la demi-largeur de la fenêtre Fi (voir figure 1). On raisonnera sur le bloc Bil du premier quadrant. Lorsque le collimateur est fermé, le point d'articulation du bloc est en PO, il est en P1 pour l'ouverture de fenêtre représentée. Soient: -#i : la distance PO, P1 - ai : la distance O PO (constante dans la couche i) - # : la rotation appliquée au bloc Bil autour de son tourillon 14. On a: tg # (x + y) V2 (x - y) V2 + 2ai #i = (x + y) V2 - ai #(x - y) V2 2 sin # 2 à condition que q > soit petit pour que tg # = sin # = # On peut toujours dimensionner les blocs pour que la plus grande rotation q > possible reste dans le domaine des petits angles. On voit donc que pour tout couple x, y, il correspond un couple q > , Xi bien déterminé, le système est donc bien commandable.Il ressort en outre de la figure 1 que pour conserver une ouverture divergente du collimateur: - L'angle sp doit être le même pour tous les blocs homologues de façon que les champs 11 et 12 correpondants soient bien respectivement parallèles de couche en couche - les distances xi doivent être dans le rapport: x Xi = xO di D ou: - xO est l'ouverture de champ désirée sur la surface de traitement - D est la distance entre la source S et cette surface de traitement (voir figure 3 > - d i est la distance entre la source S et le milieu de la couche i. On en déduit que les longueurs ai et les déplacements x i doivent être proportionnels à di. Par conséquent, la distance ai entre l'arête définie par les deux champs 11 et 12 et le tourillon 14 d'un bloc est de plus en plus faible de couche en couche, au fur et à mesure qu'on se rapproche de la source S. Ceci est clairement illustré à la figure 2. Cette distance ai est évidemment la même pour les blocs Bil et Bi3. De même, les déplacements X doivent aussi être proportionnels entre eux. Cette seconde condition est satisfaite, pour tous les systèmes, en faisant varier le rapport de transformation rotationtranslation, de couche en couche, proportionnellement à l'éloignement de cette couche de la source S (le centre d'homothétie). Dans le mode de réalisation décrit, on a choisi d'utiliser des vis sans fin Vij différentes de couche en couche. Ainsi, le pas de vis diffère de couche en couche proportionnellement à l'éloignement de cette couche du centre d'homothétie. Autrement dit, comme cela est visible sur la figure 2, le pas de vis est de plus en plus fin au fur et à mesure que l'on se rapproche de la source S. Comme mentionné précédemment, L'angle cp doit être le même pour toutes les couches. Si les moyens d'actionnement en rotation des blocs sont respectivement liés à leurs supports 16, la commande est simple mais nécessite un grand nombre de moteurs. C'est pourquoi, on peut agencer les moyens 30 de chaque groupe de blocs homologues de façon analogue à un support 16, en leur attribuant des rapports de tranformation différents de couche en couche, proportionnellement à leur éloignement de la source S. On peut aussi adopter des mécanismes de commande de pivotement dans lesquels le rapport d'homothétie désiré se retrouve dans les distances, différentes de couche en couche, entre les points d'ancrage aux blocs et les tourillons 14. En variante, un mécanisme de commande de translation et/ou de pivotement peut être constitué par une pluralité de supports coulissants commandés simultanément par la rotation d'un arbre commun relié aux différents supports par des biellettes de longueurs différentes, ces longueurs étant dans le rapport d'homothétie désiré. C'est dire que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation spécifiquement décrit mais comprend tous les équivalents techniques des moyens mis en jeu si ceux-ci le sont dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Collimateur à ouverture divergente pour faisceau de particules, ladite ouverture ayant un axe principal de symétrie (SZ) prévu pour être aligné ayec unè source de rayonnement, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de couches parallèles (Cl, C2 ....Cn) d'un matériau absorbant ledit rayonnement, adjacentes les unes aux autres le long dudit axe principal de symétrie, en ce que chaque couche est matérialisée par la juxtaposition d'un même nombre de blocs (Bil, Bi2, Bi3, Bi4) mobiles dans l'espace de cette couche, dont certains champs (11, 12) parallèles audit axe principal de symétrie sont en contact les uns des autres et matérialisent, dans chaque couche, un tronçon de l'épaisseur de ladite ouverture divergente (10) et en ce qu'il comporte des moyens de positionnement homothétique (16, 17, 30, 31) des champs correspondants des blocs homologues des différentes couches, le centre d'homothétie (S) étant confondu avec l'emplacement de ladite source de rayonnement, de façon que les plans de joint des champs en contact des blocs d'une couche soient ainsi masqués par une couche voisine. 2. Collimateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque couche est constituée de quatre blocs (Bil, Bi2, Bi3, Bi4) possédant chacun deux champs précités (11, 12) se coupant à angle droit de façon à définir un tronçon précité à section carrée ou rectangulaire, variable en raison des positions desdits blocs. 3. Collimateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que, dans chaque couche, deux blocs (Bil, Bi3) sont opposés symétriquement par rapport audit axe (SZ), en ce qu'ils sont montés articulés (14) parallèlement à celui-ci sur deux supports à déplacement rectiligne (16) lesquels sont agencés perpendiculairement audit axe (SZ) et alignés symétriquement par rapport à lui. 4. Collimateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux autres blocs (Bi2, Bi4) de chaque couche sont opposés symétriquement par rapport audit axe (SZ), en ce qu'ils sont montés articulés (15) parallèlement à celui-ci sur deux autres supports à déplacement rectiligne (17) lesquels sont agencés perpendiculairement audit axe et alignés symétriquement par rapport à lui en faisant un angle droit avec la direction (A'A) des deux premiers supports coulissants cités (16) et en ce chacun est monté sur son support par l'intermédiaire d'une pièce formant biellette (19) articulée (15, 18) à ses deux extrêmités. 5. Collimateur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que pour chaque bloc, la distance (a) entre l'arête définie par les deux champs (11 et 12) perpendiculaires précités et l'axe de rotation de son articulation (14 ou 15) est la même pour deux blocs opposés d'une même couche et que cette distance diffère de couche en couche proportionnellement à l'éloignement de celle-ci dudit centre d'homothétie (S). 6. Collimateur selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les moyens de manoeuvre desdits blocs homologues comportent des mécanismes de transformation d'un mouvement rotatif en mouvement rectiligne (Vij, 24) respectifs, actionnés par un même moyen moteur (28) et que les rapports de transformation de ces mécanismes diffèrent entre les couches proportionnellement à leur éloignement dudit centre d'homothétie. 7. Collimateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque mécanisme de transformation comporte une partie coulissante (20) ou analogue actionnée par vis sans fin (Vij) et que de couche en couche, le pas de ces vis diffère proportionnellement à l'éloignement dudit centre d'homothétie. 8. Collimateur selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que lesdits blocs homologues sont accouplés à des moyens de commande de pivotement (30, 32) ou (31, 33) susceptibles de les faire pivoter d'un même angle choisi par rapport aux mécanismes de déplacement rectiligne respectifs sur lesquels ils sont articulés. 9. Collimateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande de pivotement comportent des moyens de transformation d'un mouvement rotatif en mouvement rectiligne respectifs (30, 32) ou (31, 33) actionnés par un même moyen moteur et que les rapports de transformation de ces moyens diffèrent entre les couches proportionnellement à leur éloignement dudit centre d'homothétie.