Brevet FR2574583A1 — publié le 19860613

ECRAN RADIOLUMINESCENT EN COUCHE EPAISSE, SON PROCEDE DE FABRICATION ET DISPOSITIF POUR LA MISE EN OEUVRE DU PROCEDE La présente invention concerne un écran ra- dioluminescent en couche épaisse permettant de conver- tir des rayonnements X ou y de haute énergie en pho- tons lumineux, son procédé de fabrication ainsi qu'un dispositif, permettant la mise en oeuvre du procédé. Elle s'applique à la détection d'images de rayonnement et notamment au contr6le du champ d'irradiation d'un malade, lors d'une séance de radiothérapie. A l'heure actuelle, il existe différents types d'écran permettant de convertir les rayonnements non lumineux tels que les rayonnements X ou y, issus d'une source d'irradiation, en rayonnements lumineux. En imagerie médicale, on utilise des écrans intensificateurs, comportant une couche mince, de l'ordre de 100 pm, d'un matériau luminophore tel que le CaWO4. Le luminophore réémet l'énergie absorbée, issue des rayonnements incidents, sous forme de rayon- nements lumineux. Ce type d'écran ne donne des images de très bonne qualité que si le rayonnement utilisé est de faible ou moyenne énergie. En revanche pour des rayonnements d'énergie supérieure à 200 KeV, l'effi- cacité de conversion de ces intensificateurs n'est pas assez élevée. Pour augmenter le rendement lumineux de ces écrans, pour des rayonnements de plus forte énergie, on utilise de façon connue, des écrans renforçateurs au plomb. Ainsi les photons non lumineux de haute énergie sont transformés en photons non lumineux d'énergie inférieure par collision Compton avec des électrons de la feuille métallique au plomb. Ces pho- tons non lumineux d'énergie inférieure sont alors transformés en photons lumineux par une couche de ma- tériau luminophore. Ce type d'écran est décrit dans la demande de brevet français n 2463420 déposée le 14 août 1979 au nom du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées. Par ailleurs, on connaît différentes struc- tures d'écran radioLuminescent permettant d'améliorer la résolution géométrique. Ainsi par exemple, dans le brevet japonais n 5665078 déposé le 31 Octobre 1979 au nom de Kasei Optronics Kabushiki-Kaisha, un écran formé d'un maté- riau luminophore dispersé dans un liant, est coloré par un colorant organique et minéral de façon à ce que le coefficient de reflexion dans le domaine des lon- gueurs d'ondes d'excitation du luminophore soit infé- rieur au coefficient de réflexion dans le domaine des longueurs d'onde d'émission du luminophore. De cette façon, l'étalement du rayonnement d'excitation est restreint et la netteté est accrue. Dans la demande de brevet français n 2412855 déposée le 22 Décembre 1978 au nom de la General Electric Company, les particules du luminopho- re sont noyées ou en suspension dans un matériau d'in- dice de réfraction voisin de celui du luminophore, pour obtenir un écran optiquement transparent. De plus, pour adapter ces écrans aux gammes de sensibili- té des détecteurs photoélectriques, un matériau de conversion de longueur d'onde peut être ajouté à la structure de l'écran. Le procédé de fabrication de ces écrans consiste à sécher par congélation te mélange luminophore et matériau en solution, puis à pulvériser ce mélange séché pour obtenir une poudre de dimensions homogènes et enfin de chauffer cette poudre à une tem- pérature et pression suffisantes pour provoquer le fluage et obtenir un corps solide. Les deux types d'écrans décrits ci-dessus présentent aux très fortes énergies (de quelques MeV à MeV) un mauvais rendement lumineux. L'invention a pour but de remédier à cet inconvénient et notamment d'élaborer un écran radiolu- minescent en couche épaisse comprenant un luminophore de la famille des terres rares et ayant un pouvoir d'arrêt suffisant pour atteindre un rapport signal sur bruit satisfaisant pour une quantité de rayonnements acceptable en imagerie de positionnement. L'invention a pour objet un écran radiolumi- nescent permettant de convertir des rayonnements X ou y de haute énergie en photons lumineux comprenant: - un matériau sous forme d'une couche épaisse d'épais- seur supérieure à un millimètre, constitué de Gd202S dopé par un luminophore de la famille des terres rares, - un polymère organique permettant de lier le matériau dopé et ayant une bonne résistance aux rayonnements ainsi qu'une grande transparence à la lumière d'émission du matériau dopé. Selon un mode préféré de réalisation le lu- minophore est du terbium. Selon une variante, le luminophore est de l'europium. Selon un mode de réalisation, le liant com- prend un copolymère de chlorotrifluoro-éthylène et de fluorure de vinylidène. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un écran radioluminescent comprenant: (a) - l'élaboration dans un solvant organique, d'un polymère organique, (b) - l'introduction de Gd202S dopé dans cette solu- tion, (c) - l'application d'ultrasons à ce mélange pour le rendre homogène, (d) - la distribution et la répartition du mélange sur un support, et (e) - le séchage du mélange sur le support à pression atmosphérique et température ambiante. Selon un mode préféré de réalisation le sol- vant organique est du méthylisobutylcétone. Selon un mode de réalisation, l'étape (a) consiste à mettre le liant en solution dans un solvant selon les proportions: Xg de liant pour 10.Xg de sol- vant. Selon un autre mode de réalisation l'étape (b) consiste à mélanger le Gd202S dopé au terbium au liant en solution à raison de Xg de matériau dopé pour (X/5)g de liant en solution. Le dispositif pour la mise en oeuvre du pro- cédé de fabrication comprend: - un récipient muni d'une ouverture permettant l'écou- lement du mélange matériau dopé-liant en solution et dans lequel le mélange subit une agitation, - des moyens pour distribuer le mélange sortant du réservoir, sur le support, - des moyens pour produire des vibrations sur le sup- port et des moyens pour effectuer un mouvement relatif entre le récipient et ledit support. Selon un mode de réalisation, le mouvement relatif entre le récipient et le support est un mouve- ment de rotation du support. Selon une variante, le mouvement relatif entre le récipient et le support est un mouvement de translation du récipient et des moyens permettant de distribuer le mélange sur le support. Les caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles: - les courbes de La figure 1 représentent le flux lumineux émis en fonction de l'épaisseur de l'écran radioluminescent utilisé, - la figure 2 représente schématiquement le dispositif de fabrication de L'écran épais, - la figure 3 représente. schématiquement le support de L'écran épais, - la figure 4 représente une application d'un écran épais conforme à l'invention. Les courbes de la figure 1 représentent le flux lumineux émis en fonction de l'épaisseur d'un écran radioluminescent, constitué de Gd202S dopé au terbium: la courbe I a été obtenue avec un générateur X de 380 KV, la courbe 3 a été obtenue avec une source de 60Co correspondant à une énergie de 1,25 MeV et la courbe 5 a été obtenue avec un accélérateur linéaire de 18 MeV. On constate sur ces courbes, qu'à partir d'une certaine valeur de l'épaisseur de l'écran, on arrive à un optimum du flux lumineux émis par l'écran et que, plus l'énergie d'irradiation est grande plus L'épaisseur de l'écran doit être importante pour arri- ver à un optimum de flux lumineux. Ainsi pour une source d'irradiation de 60Co correspondant à une énergie d'irradiation de 1,25 MeV, courbe 3, utilisé en radiothérapie, un écran de Gd202S dopé au terbium présente unoptimum 4 d'efficacité de détection pour une épaisseur de 2 mm. La figure 2 représente le dispositif de fa- brication d'un écran épais. Dans le présent texte, on entend par épais, une épaisseur supérieure à I mm. Le matériau utilisé: le Gd202S constitue une matrice lourde d'une bonne efficacité de détection notamment aux rayonnements X. Ce matériau est dopé par un luminophore de la famille des terres rares de façon telle que la lon- gueur d'onde d'émission convienne à la sensibilité du détecteur utilisé. Notamment pour La radiothérapie utilisant des caméras vidéo à bas niveau de lumière, le Gd202S dopé au terbium convient tout particuliè- rement. Le matériau dopé est aggloméré à l'aide d'un polymère organique répondant dans l'ordre de priorité, aux critères suivants: - une très bonne tenue aux rayonnements, - une transmission de la longueur d'onde d'émission du Gd202S la plus grande possible, - un indice de réfraction le plus proche possible de celui du Gd202S. Ce liant comprend par-exemple un copolymère de chlorotrifluoro-éthyLène et de fluorure de vinyli- dène commercialisé sous le nom de "Kelf 800". Le liant est mis en solution dans un solvant de méthylisobu- tylcétone selon la formule Xg-de liant dans (10X)g de soLvant. La dissolution se fait sous agitation magné- tique pendant plusieurs heures à environ 60 C. Le mélange du matériau dopé avec le liant cité s'effectue dans des proportions déterminées: Xg du matériau dopé pour (X/5)g de liant, notamment pour un écran d'épaisseur 2,0 mm+ 0,1, on mélange 2000g de matériau dopé à 400 g de liant. Le mélange 17 du matériau dopé avec le liant est effectué à partir de moyens de brassage permettant d'obtenir un mélange homogène. Ce mélange 17 est en- suite déposé sur un support 7 à partir de moyens de distribution 19, 23, 25, 27 et de moyens de réparti- tion 29, 31 comprenant un mouvement de rotation et des mouvements de vibration du support. Le brassage du mélange, pour casser les agrégats se fait au moyen d'une agitation magnétique chauffante pendant 10 mn environ suivie d'un passage dans un bac à ultrasons pendant 10 mn également. Quel- ques interventions manuelles à la spatule permettent de limiter la sédimentation. Ce mélange 17 est ensuite transvasé rapidement dans un réservoir 19, dans lequel une agitation méca- nique est réalisée par un agitateur 21 de forme adap- tée à celle du réservoir 19. Après environ 5 mn d'agi- tation mécanique dans le réservoir, on ouvre ce réser- voir par l'intermédiaire d'un robinet 23. Le débit du réservoir est réglé par rapport à la viscosité de la préparation et à la vitesse de rotation du support. Cette préparation passe alors à travers une grille en acier inoxydable 25 à maille de 200 pm, montée sur un entonnoir à fente 27. Cet entonnoir a une fente de 130 mm de long pour une largeur de 0,5 mm. La rotation du support 7 est assurée par un moteur rotatif 29 placé sous le support 7 selon son axe central vertical. Ce mouvement de rotation évite les regroupements linéaires de grains provoques par la directivité des ondes vibratoires. La vitesse de rota- tion utilisée est environ de 1/2 tour/mn. Les mouvements vibratoires du support 7 sont assurés par un vibrateur 31 associé à un générateur- amplificateur 33. Ces vibrations sont transmises au support 7 par l'intermédiaire d'un bac 35 placé sur un support rigide 37 sous le moteur rotatif 29 qui est lui-même placé sous le support 7. La fréquence de vi- bration choisie est de 60Hz avec un courant de 8,3A,compte tenu d'un déplacement maximal admis pour les grains de 20 pm. Ces vibrations ainsi que la rota- tion du support 7, sont maintenues pendant une heure au moins. L'ensemble constitué par le support 7, le moteur rotatif 29, le bac 35 et le support rigide 37 est posé sur un plateau de mise à niveau 39 par l'in- termédiaire de galets anti-frottement 41. Ce plateau permet d'avoir un support parfaitement plan. Le séchage qui dure au moins 48H, se fait sans aucune manipulation de l'écran 9 et de son support 7 afin de garantir l'adhésion du m-atériau luminophore constituant l'écran 9, sur son support 7. L'ensemble: préparation, distribution, répartition et séchage du mélange matériau dopé-liant se fait sous une hotte aspirante 43 avec un flux laminaire exempt de poussié- re, homogène sur toute la surface, avec reprise par extraction afin d'éliminer les vapeurs du solvant. Pour un type de fabrication grande série, le mouvement de rotation du support est remplacé par un mouvement relatif de translation du système de distri- bution qui est lui-même élargi. La figure 3 représente schématiquement le support 7 de l'écran épais 9. Ce support est parfaite- ment plan, il est constitué par une bague usinée 11 en AG3 anodisée noire de 543 mm de diamètre extérieur, de 496 mm de diamètre intérieur, et de 20 mm d'épaisseur. Sur une épaisseur 13 de 1 mm, cette bague 11 a un diamètre de 482 mm. Une fenêtre en tôLe d'aluminium 15 anodisée de 1 mm d'épaisseur et de 496 mm de diamètre est collée sur cette bague, l'aluminium étant transpa- rent aux rayonnements. Cette fenêtre présente un as- pect sans rayures sur la partie active de l'écran et pour cela les tôles avant découpe sont protégées par un film pelable. Le collage de la fenêtre est réalisé sur sa face intérieure par un film à prise rapide du type cyanoacryLate, et sur sa face extérieure par une colle épaisse de type Bostik 292 déposée en forme de joint. Avant chaque essai, la face intérieure côté dépôt, est dépoussiérée à l'azote et nettoyée à la méthylisobutylcétone. La figure 4 représente une application d'un écran épais conforme à L'invention pour Le contr8te du champ d'irradiation d'un malade Lors d'une séance de radiothérapie. Ce dispositif de contrôLe comprend: une source d'irradiation S, un écran épais radiolumi- nescent 51, des moyens de détection 57 des moyens de traitement 59 et de visualisation 61. L'écran 51 est optiquement couplé aux moyens de détection 57 par L'intermédiaire de moyens de réflexion de lumière 53 suivis par une optique 55. Ces moyens de réflexion et cette optique sont rendus solidaires de moyens de dé- tection 57. Ces moyens de détection 57 sont électri- quement couplés aux moyens de traitement 59 et de vi- sualisation 61. L'écran 51 de forme plane est disposé de façon à être parallèle à la table 63 sur laquelle est placé le patient 65. Celui-ci est placé entre la sour- ce d'irradiation S et l'écran radioluminescent 51. Le faisceau des rayonnements émis par la source S intera- git avec le patient. L'écran épais 51 capte les rayon- nements issus de ce patient et les convertit en si- gnaux lumineux qui sont renvoyés sur des moyens de réflexion 53. Ces moyens de réflexion 53 sont placés au-des- sous de l'écran 51, ils consistent par exemple en un miroir plan, placé à 45 par rapport à la normale de l'écran. Après réflexion, le signal lumineux est transmis aux moyens de détection 57 par une optique constituée par un objectif 55. Les moyens de détection 57 consistent en une caméra vidéo à bas niveau de lu- mière. Cette caméra 57 émet alors des signaux électri- ques qui parviennent aux moyens de traitement 59 et de visualisation 61. Ces moyens sont par exemple un mi- croprocesseur d'animation et de traitement des images, et un moniteur de télévision. Ce dispositif donne donc une image radiothérapique à deux dimensions d'au moins une partie du patient. REVENDICATIONS 1. Ecran radiotuminescent permettant de convertir des rayonnements X ou y de haute énergie en photons Lumineux, caractérisé en ce qu'il comprend: un matériau sous forme d'une couche (9) épaisse, d'épaisseur supérieure à un millimètre, constitué de Gd202S dopé par un luminophore de La familte des terres rares, - un polymère organique permettant de Lier te matériau dopé et ayant une bonne résistance aux rayonnements ainsi qu'une grande transparence à ta lumière d'émission du matériau dopé. 2. Ecran seton La revendication 1, caracté- risé en ce que le luminophore est du terbium. 3. Ecran selon La revendication 1, caracté- risé en ce que le luminophore est de l'europium. 4. Ecran seLon L'une quelconque des revendi- cations I à 3, caractérisé en ce que te Liant comprend un copolymère de chlorotrifluoroéthyLène et de fLuoru- re de vinylidène. 5. Procédé de fabrication d'un écran radio- luminescent selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) - l'élaboration dans un soLvant organique, d'un polymère organique, (b) - L'introduction de Gd202S dopé dans cette solu- tion, (c) - l'application d'ultrasons à ce mélange (17) pour le rendre homogène, (d) - La distribution et la répartition du mélange sur un support (7), et (e) - le séchage du mélange sur le support (7) à pression atmosphérique et température ambian- te. 6. Procédé selon la revendication 5, carac- térisé en ce que le solvant organique est du méthyli- sobutylcétone. 7. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 5 à 6, caractérisé en ce que l'étape (a) consiste à mettre le liant en solution dans un solvant selon les proportions: Xg de liant pour 10.Xg de sol- vant. 8. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 5 à 7, caractérisé en ce que l'étape (b) consiste à mélanger le Gd202S dopé au terbium au liant en solution à raison de Xg de matériau dopé pour (x/5)g de liant en solution. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre du pro- cédé de fabrication d'un écran selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend: - un récipient (19) muni d'une ouverture (23) permet- tant l'écoulement du mélange (17) matériau dopé- liant en solution et dans lequel le mélange (17) subit une agitation (21), - des moyens (25, 27) pour distribuer le mélange (17) sortant du réservoir (19), sur le support (7), - des moyens pour produire des vibrations (31, 33) sur le support (7) et des moyens pour effectuer un mou- vement relatif entre le récipient et ledit support. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le mouvement relatif entre le récipient(19)etlesupport(7)estun mouvement de rotation (29) du support (7). 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le mouvement relatif entre le récipient (19) et le support (7) est un mouvement de translation du récipient et des moyens permettant de distribuer le mélange sur le support.