Brevet FR2600879A1 — publié le 19880108

Appareil de tomographie assisté par ordinateur. La présente invention concerne un appareil de tomographie assisté par ordinateur permettant d'obtenir des tomographies transversales d'objets, de manière très rapide. Les appareils de tomographie connus comportent une source de rayons X, alimentée par une alimentation haute tension, qui génère un faisceau de rayons X très étroit en direction d'un objet ou du corps d'un patient à examiner. Ce faisceau traverse l'objet ou le corps du patient avant d'être intercepté et mesuré par un détecteur multicanaux. L'ensemble source de rayons X et détecteurs multicanaux est monté sur un plateau ou rotor tournant autour de l'objet examiné à l'intérieur dun bâti ou stator. Les signaux fournis par les détecteurs multicanaux sont transmis au dispositif de traitement de l'information ou ordinateur extérieur pour former une image de chacune des tranches d'objet ainsi examinées. ra Dans ces appareils, l'alimentation en puissance de la source de 15 rayons X et la transmission des signaux fournis par les détecteurs multicanaux sont assurés aux moyens de câbles électriques guidés par un dispositif d'enroulement, réalisé par exemple de la façon décrite dans-les brevets français n 2 455 451 et 2 385 632. La présence de ces câbles nuit cependant à la rapidité d'exécution de ces appareils par le fait qu'elle limite les déplacements du rotor et qu'elle impose pour chaque rotation des phases d'accélération et de freinage qui augmentent inutilement les temps des examens tomographiques. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet, un appareil de tomographie assisté par ordinateur comportant une source de rayons X pour générer un faisceau de radiations au travers d'un objet ou du corps d'un patient à examiner et un détecteur multicanaux pour fournir des informations 30 concernant l'intensité du rayonnement retransmis par l'objet examine, tous deux étant montés sur un rotor solidaire d'un stator qui entoure l'objet examiné, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un guide de lumière à diffusion latérale enroulé autour du rotor ou sur la surface interne du stator pour transmettre, par voie optique, entre des moyens émetteur optique et récepteur optique du rotor et des moyens optiques 5 correspondantsdu stator, les informations fournies par le détecteur multicanaux et les informations de commande de la source de rayons X. L'invention a pour avantage qu'elle permet des rotations sans discontinuité du rotor dans le même sens de rotation autour de l'objet ou du corps du patient examiné. Elle supprime ainsi les temps morts dans les 10 examens qui étaient due aux phases d'accélération et de freinage des appareils de tomographie à transmission par câbles. Elle permet également, du fait qu'elle met en oeuvre des guides de lumière, des transmissions optiques à grand débit, supérieures à 10 Mbits/s, ce qui permet d'obtenir des reconstructions d'image par les organes de traitement de 15 l'information extérieur en des temps très courts. D'autres caradtéristiques et avantages de l'invention apparaîtront ci-après à l'aide de la description faite en regard des dessins annexés dans lesquels: La figure I représente un appareil de tomographie conforme à 20 l'invention, comportant des moyens de transmission optique d'informations entre au moins un émetteur fixé au rotor et des récepteurs de lumière fixés au stator. Les figures 2 à 4 représentent des variantes de réalisation différentes des moyens de transmissions de la figure 1. Les figures 5 et 6 représentent des modes de réalisation différents de l'invention permettant la transmission optique d'informations entre un émetteur fixé au stator et des récepteurs de lumière fixés sur le rotor. L'appareil de tomographie qui est représenté à la figure 1 comprend un bâti I ou stator à l'intérieur duquel tourne un plateau 30 tournant ou rotor 2. Le rotor 2 est percé en son centre par un trou 3 de dimension suffisante pour permettre de disposer à l'intérieur le corps 4 d'un patient à examiner. Le rotor et le stator sont centrés coaxialement sur un axe 5 perpendiculaire au plan de la figure. Le rotor 2 supporte une source de rayonnement 6 dont le faisceau en éventail 7 éclaire, au travers 35 du corps 4 du patient, des détecteurs multicanaux 8 également supportés 260087 9- par le rotor 2 et situés sur la figure 1 à la périphérie du trou 3 dans une direction diamétralement opposée à celle de la source 6 par rapport à l'axe 5. Le rotor 2 comprend également deux émetteurs optiques consti5 tués par des sources lumineuses, ayant la forme, par exemple de diodes laser 9 et 10 de quelques mW qui sont modulées simultanément par les détecteurs multicanaux 8 au travers d'un modulateur 11. Les diodes laser 9 et 10 sont couplées respectivement à des premier et second guides de lumière à diffusion latérale 14 et 15 enroulés 10 sur le rotor chacun sur une longueur de 1/4 de tour suivant deux directions opposées à partir d'un même point d'origine 13 de la périphérie du rotor, de façon que la somme des longueurs des deux guides enroulés sur le rotor fasse un demi-tour sans interruption. Des récepteurs ou détecteurs optiques 16 et 17 sont placés à deux 15 endroits diamétralement opposés sur la périphérie interne du stator I pour recueillir la lumière diffusée latéralement par chacun des guides. Des amplificateurs de signaux 18 et 19 relient respectivement des détecteurs optiques 16 et 17 à des moyens de traitement 20 constitués éventuellement par un ordinateur au travers d'un circuit additionneur 21. Suivant cette configuration, comme chacun des guides de lumière 14 et 15 a une longueur de 1/4 de tour, il y a toujours quelque soit la position du rotor 2, relativement au stator 1, un guide de lumière en face d'un des deux détecteurs de lumière 16 ou 17. De la sorte, les détecteurs 16 et 17 captent alternativement, quelques soient les positions du rotor 2, 25 les signaux fournis par les détecteurs multicanaux.8 et diffusés simultanément par les guides de lumière 14 et 15. Pour la bonne réalisation de l'invention les sources lumineuses 9 et sont constituées de préférence par des lasers à l'état solide. A titre d'exemple, compte tenu du débit de 10 Mbits/s et des puissances lumi30 neuses nécessaires, des lasers tels que le type HLP 1600 de HITACHI de puissance Po= 15 mW, ou le type TXSK 2101 de TELEFUNKEN de puissance Po = 10 mW, conviennent. De préférence, les guides de lumière seront formés par des fibres optiques et dans ce cas, l'extension spatiale des sources lumineuses 9 et 10 autour de la couronne du àtator est obtenue 35 par la diffusion latérale de ces fibres. Ces fibres sont de préférence des fibres plastiques, telles que le type connu sous la référence PLASTIFO T 301 commercialisées par la Société de Droit Francais OPTECTRON, ou sous la référence ESKA-C commercialisées par la Société de droit 3aponais MITSUBISHI. La puissance rayonnée latéralement par ces fibres, sur lcm de longueur, est typiquement 2 à 5 10-5 Po, soit, 20 à 50 10-9 W pour Po = 0-3 W. Du fait que cette diffusion est la diffusion naturelle de la fibre, on peut la considérer comme constante, au moins sur des longueurs de 10 quelques mètres. Les détecteurs 16 et 17 pourront être constitués par des photodiodes au silicium. Dans ces conditions, comme l'énergie nécessaire à la détection de 1 bit par une photodiode au silicium éclairée sur une surface de quelque 15 mm2 peut être estimée à environ 10-14 joule, le débit maximum possible que l'on pourra escompter sera D = 2.5 10-8 Dmax = -14 = 2 à 5 M bits/s en collectant la lumière diffusée latéralement à la fibre sur un 1 cm de celle-ci dans tout l'espace. En pratique, ce débit peut être porté à 10 M bits/s en augmentant artificiellement la diffusion naturelle des fibres et en utilisant par exemple des diodes connues sous la référence BPW 34 de la société SIEMENS, associés à des préamplificateur à faible bruit, tel que l'amplifi25 cateur connu sous la référence SL 550 de la Société PLEYSSEY. On obtient dans ces conditions un rapport signal à bruit suffisant de l'ordre de 4 en sortie d'amplificateur, pour une puissance incidente de quelques microwatts sur les photodiodes des détecteurs 16 et 17. Ces résultats peuvent être obtenus, par exemple, en réglant la 30 puissance du laser à typiquement 10.10-3 W, en collectant au niveau des détecteur 16 et 17 la lumière diffusée par chacune des fibres dans tout l'espace à l'aide d'une optique de collection appropriée et en augmentant la diffusion latérale de la fibre. Les deux premiers points n'offrent pas de difficultés particulières. En ce qui concerne le dernier point, on pourra augmenter la diffusion latérale normale d'une fibre d'un facteur compris entre 10 et 1000 en modifiant la structure de celle-ci sur une zone déterminée de sa surface. L'hétérogénéité de matière obtenue dans cette zone provoque, lorsque la fibre est parcourue par un rayon lumineux, d'une part, des réflexions qui viennent contrarier le cheminement de la lumière et d'autre part, la sortie des rayons lumineux au travers de l'élément de surface de la fibre recouvrant la zone modifiée. Pour obtenir cette modification de structure plusieurs procédés mécaniques, physico-chimiques ou chimiques peuvent être mis en oeuvre, indépendamment les uns des autres ou éventuellement de façon complémentaire. Au plan mécanique la modification de structure peut être obtenue par exemple, pour des fibres à coeur gainé, en effectuant une 15 réduction locale de l'épaisseur de la gaine entourant le coeur, par grattage, rainurage ou tout procédé mécanique équivalent ou encore, en modifiant de façon irréversible la section de la fibre, éventuellement, par laminage. Au plan physico-chimique, on pourra inclure dans le coeur de la 20 fibre au moment de sa fabrication des éléments en poudre solide, métallique, abrasifs etc... ou encore mélanger dans la zone de diffusion des polymères non miscibles comme par exemple, du polystyrène avec du polyméthacrylate de méthyle. Au plan chimique, la surface de la fibre recouvrant la zone de 25 diffusion pourra être attaquée à l'aide d'un solvant. Ces différents procédés aboutissent à la création d'un défaut qui s'il est constant par unité de longueur tout le long de la fibre, conduit à une intensité de lumière diffusée en chaque point le long cPd'une fibre qui diminue suivant une fonction exponentielle de la distance qui sépare le 30 point considéré de la source de lumière excitant la fibre. Il en résulte que, pour une application donnée, la longueur utilisable d'une fibre selon l'invention dépendra de la puissance de la source, de la sensibilité du photodétecteur ainsi que du type de procédé diffusant appliqué à la fibre. Si ces différents procédés favorisent la collection par photodiode 35 de la lumière diffusée, il est clair aussi que les pertes dans les fibres ainsi modifiées sont fortement augmentées, et que par conséquent, la longueur utile d'une fibre se trouve réduite. A cet égard la longueur maximum utilisable d'une fibre pourra être déterminée en supposant en première approximation que toute l'atténuation dans la fibre est doe à la diffusion latérale. Comme en tout point d'abscisse x d'une fibre optique la puissance lumineuse P(x) transportée par la fibre peut être définie par une relation de la forme P(x) = Po exp - a x o Po est la puissance optique du faisceau de lumière introduit à l'entrée 10 d'une fibre, la perte par diffusion, sur une petite distance dx = I vaut alors d P(x) p(x) dx = I =Poexp-ax On définit ainsi la longueur xomax telle qu'à cette abscisse, p (x) = qt. Po, soit la puissance de diffusion encore utilisable. 15 En développant les calculs on obtient: omax e. r Autrement dit, la longueur maximum de la fibre, à condition qu'on puisse lui donner l'atténuation optimum, ne dépend que de I (longueur de collection de la diffusion), c'est-à-dire de la largeur de la photodiode (sans 20 optique de collection) et du rapport d'atténuation minimum rq entre puissance diffusée et puissance émise. A titre d'exemple en fixant les puissances Po = 10 mW et Pmin sur une photodiode = 4.10-6 W: avec une collection de diffusion effectuée sur 1/3 d'espace (sans optique), la 6 3 puissance diffusée sera de: 12 10-6 W; d'o F[ = 1, 2 10-3, Si I = 3 mm est la largeur de la photodiode, le coefficient d'atténuation optimum sera e'rt = 1.1 10-2cm-1 (9,5 dB/m) et la longueur maximum de la fibre sera xoma =- = 92 cm. Comme les circonférences des rotors des tomographes possèdent généralement des longueurs au moins égales à 3 mètres, le calcul précédent montre que l'exemple de réalisation de la figure 1 est tout à fait réalisable avec deux fibres optiques et deux détecteurs. L'invention n'est cependant pas limitée, dans ses applications, à des circonférences de rotor inférieures à trois mètres et notamment on pourra, pour des circonférences plus grandes, multiplier le nombre de détecteurs répartis sur la surface du stator et modifier les moyens de 5 transmission, du mode de réalisation de la figure 1 de la manière représentée schématiquement à la figure 2 o pour simplifier la description seulement les éléments similaires de la figure 1, indispensables à la bonne compréhension du schéma ont été représentés avec les mêmes références. Sur cette figure, une seule diode laser, par exemple 9, est 10 couplée à une seule fibre optique 14 dont la longueur correspond à 1/4 de tour. Dans cet exemple, seulement 4 détecteurs 16, 17, 22 et 23 sont nécessaires. Ces détecteurs sont reliés respectivement à des amplificateurs 18, 19, 24 et 25, et les signaux sortant de ces amplificateurs sont appliqués sur les entrées correspondantes d'un circuit additionneur 21 à 15 quatre entrées. Naturellement, l'exemple de réalisation de la figure 2 peut encore être étendu à d'autres réalisations ni comportant qu'une seule source 9 couplée à une seule fibre de longueur égale à un l/N tour du rotor 2, et N détecteurs régulièrement répartis sur toute la circonférence du stator 1. 20 Egalement, les moyens de transmissions du mode de réalisation de la figure 1 peuvent encore être modifiés de la manière qui est représentée schématiquement à la figure 3 o les éléments similaires aux figures 1 et 2 ont été représentés avec les mêmes références. Sur cette figure, les deux diodes laser 9 et 10 sont situées- à des endroits diamétralement 25 opposés sur le rotor 2 et les fibres optiques 14 et 15 correspondantes sont enroulées dans le même sens. L'intérêt du dispositif de transmission représenté est qu'il permet de transmettre simultanément des données en parallèle le long des fibres 14 et 15. Des commutateurs 26, 27, 28 et 29 à deux positions sont commandés simultanément par des moyens de 30 commande 30 à chaque demi tour du rotor 2 permettant d'envoyer à des instants propices, les données ou signaux d'information issues des détecteurs 16, 17, 22 et 23 au travers des amplificateurs 18, 19, 24 et 25 sur des entrées correspondantes de circuits additionneurs 31, 32, 33 et 34. Des circuits additionneurs 35 et 36 assurent l'addition des signaux fournis par 35 les sorties des additionneurs 31 et 34 d'une part, et 32 et 33 d'autre part. La synchronisation des moyens de commande 30 des commutateurs 26 à 29 avec la position angulaire du rotor 2 pourra être assurée à partir de capteurs optiques, non représentés, placés entre stator 1 et rotor 2. Naturellement cette disposition peut encore être étendue à des moyens de 5 transmission à N voies de données parallèles, chaque voie étant matérialisée comme sur la figure 3 par une source lumineuse et une fibre optique. Suivant une autre variante de réalisation de l'invention qui est représentée à la figure 4, on notera que le schéma de la figure 3 peut encore être simplifié en plaçant directement à la sortie des amplifica10 teurs 18 et 24 un premier circuit additionneur 37 et à la sortie des amplificateurs 19 et 25, un deuxième circuit additionneur 38. La sortie du circuit additionneur 37 est reliée alternativement tous les demi-tours du rotor 2 à une première entrée soit, d'un circuit additionneur 39 soit, d'un circuit additionneur 40 au travers d'un commutateur 41. La sortie du 15 circuit additionneur 38 est reliée alternativement tous les demi-tours du rotor 2 à une deuxième entrée soit, du circuit additionneur 39 soit, du circuit additionneur 40 au travers d'un commutateur 42. Les signaux de la première voie (fibre optique 14) sont recueillis à la sortie du circuit additionneur 39 et les signaux de la deuxième voie (fibre optique 15) sont 20 recueillis à la sortie du circuit additionneur 40. Bien que les exemples de réalisation des figures 1 à 4 aient été décrits avec des modes de transmission o les données ou signaux d'information s'écoulent dans des guides de lumière entre rotor et stator, on concevra sans difficultés qu'à l'inverse la même solution peut aussi être 25 utilisée pour transmettre des données ou signaux d'information entre stator 1 et rotor 2. Dans ce cas l'émetteur, solidaire du stator sera constitué par une source optique modulée et étendue par une (ou plusieurs) fibre(s) diffusante(s), et le récepteur sera constitué de une (ou plusieurs) photodiode(s) solidaire(s) du rotor. Compte tenu du fait que dans ce sens 30 de transmission, la bande passante du support de transmission, peut être plus faible que dans l'autre sens, la puissance incidente nécessaire sur une photodiode au silicium pourra être déterminée à environ 100.10-9W. En reprenant les calculs précédents, la longueur maximum de la fibre vaudra alors pour Po = 10-3W, q= 10-4 et une collection de la 35 diffusion sur 3 mm, dans 1/3 de l'espace: Xomax 3 = 3,7 mètres de plus: aopt= 3.10-3 cm' '2,6 dB/m) opt e31 Par conséquent dans ce cas, comme cela est représenté à la figure , une seule fibre 43 enroulée à l'intérieur du stator peut suffir, de même qu'un seul détecteur sur le rotor, 2. Néanmoins, ce dispositif, ou partie de ce dispositif, pourra être doublé par mesure de sécurité, ou éventuellement pour passer plusieurs voies sans multiplexage, comme le montre les dispositions, des fibres 43, 10 46 des détecteurs 44, 45 et dès sources lumineuses 47, 48 sur la figure 5. Il s'en suit que tous les schémas précédents s'appliquent dans ce cas. De plus, compte tenu des faibles puissances mises en jeu à l'émission, on pourra encore envisager l'utilisation de diodes électroluminescentes à très fort rendement à la place de diodes laser. Cependant une deuxième solution, de transmission d'informations entre stator et rotor pourra être encore envisagée. Cette solution qui est représentée à la figure 6 peut consister à placer sur le rotor 2 un élément scintillateur 49 constitué éventuellement par une fibre optique scintillante qui sera excitée par une source 20 lumineuse placée sur le stator, cette source 50 étant modulée par les données aux signaux d'information à transmettre par exemple, pour commander la source de rayons X du rotor. Les photons, issus de la scintillation dans la fibre, seront guidés par celle-ci vers des détecteurs de lumière 51 et 52 solidaires du rotor 2 25 reliés à un additionneur 53. A titre d'exemple, non limitatif il sera possible d'utiliser comme fibre scintillante, une fibre connue sous la référence PLASTIFO 200 commercialisée par la Société de droit français OPTECTRON. Dans ce mode d'utilisation, on pourra employer pour constituer 30 l'émetteur 50, une diode électroluminescente émettant dans le bleu à une puissance d'environ 4010'6W. En supposant que 1/4 de cette puissance est absorbée dans la fibre 49, et que le rendement de scintillation de celleci est de 1096, c'est-à-dire que 10% de cette puissance absorbée se propage dans la fibre, on obtient dans la fibre, dans la zone d'émission, une 35 puissance d'environ i0-6W. Cette puissance se répartit également darns la fibre, de part et d'autre de la zone d'émission. Comme les longueurs d'absorption de ce type de fibres sont courtes, de l'ordre de 1 mètre (C i 10 2 cm-1), en fixant la puissance lumineuse minimum détectable dans la fibre à 100.10- 9 W on pourra déterminer par exemple la distance x, ou un minimum de détection peut encore être obtenu en appliquant la relation: -10 = exp - 10-2 x, soit dans le cas présent x = 1,6 mètres 500.10-9 W A condition de placer un détecteur 51 ou 52 à chaque extrémité de la fibre, la longueur utile de la fibre (2 x 1,6 mètre) apparaît dans ces 10 conditions compatible avec la circonférence du rotor. Dans ce cas encore, on pourra étendre le principe à plus d'une source sur la stator d'une manière analogue au schéma de la figure 2. il REVENDICATIONS 1. Appareil de tomographie assisté par ordinateur comportant une source de rayons X (6) pour générer un faisceau de radiations (7) au travers d'un objet (4) ou du corps d'un patient à examiner et un détecteur multicanaux (8) pour fournir des informations concernant l'intensité du rayonnement retransmis par l'objet examiné, tous deux étant montés sur un rotor (2) solidaire d'un stator (1) qui entoure l'objet (4) examiné, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un guide de lumière à diffusion latérale (14, 15, 43, 46; 49) enroulé autour du rotor (2) ou sur la surface interne du stator (1) pour transmettre, par voie optique, entre des moyens émetteur optique 10 (9, 10) et récepteur optique (44, 45; 51, 52) du rotor et des moyens optiques correspondants(16, 17; 22, 23; 47, 48; 50) du stator (1), les informations fournies par le détecteur multicanaux (8) et les informations de commande de la source de rayons X (6). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guide 15 de lumière (14, 15; 43, 46; 49) est constitué par une fibre optique à diffusion de lumière latérale dont la structure est modifiée dans une zone voisine de sa surface. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guide de lumière (14, 15; 43, 46; 49) est constitue par une fibre optique 20 scintillante. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens émetteurs optiques (9, 10; 47, 48; 50) sont formés par des lasers solides. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caracté25 risé en ce que les récepteurs optiques (16, 17; 22, 23) sont constitués par des diodes semi-conductrices. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que pour transmettre les informations des détecteurs multicanaux les guides de lumière sont formés par deux fibres optiques à diffusion 30 latérale enroulées sur le rotor (2) sur une longueur de 1/4 de tour chacune, excitées chacune par un émetteur de lumière (9, 10) et en ce qu'il comprend deux récepteurs de lumière (16, 17) placés sur le stator à des endroits diamétralement opposés. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que pour transmettre les informations des détecteurs multicanaux le guide de lumière est formé par une seule fibre optique (14) à diffusion latérale enroulée sur le rotor (2) sur une longueur de 1/4 de tour, et excitée par un unique émetteur de lumière (9) et en ce qu'il comprend quatre récepteurs de lumière régulièrement répartis (16, 17, 22, 23) sur la surface interne du stator. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que pour transmettre des informations des détecteurs multicanaux les guides de lumière sont constitués par deux fibres optiques alimentées par deux voies d'informations différentes. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caracté15 risé en ce que pour transmettre les informations des détecteurs multicanaux le guide de lumière est constitué par une fibre optique à diffusion latérale enroulée autour du rotor (2) sur une longueur de tour, N étant un entier positif, et en ce qu'il comprend N récepteurs de lumière régulièrement répartis sur la surface interne du stator (1). 10. ppareil selon l'une quelconque des revendications I à 9, caractérisé en ce que pour transmettre des informations entre le stator (1) et la source de rayons X, le guide de lumière est constitué par une fibre scintillante (43, 46) enroulée sur la surface interne du stator excitée à une extrémité par un émetteur de lumière du stator modulé par les informations 25 à transmettre et en ce qu'il comprend au moins un récepteur de la lumière diffusée par la fibre scintillante disposée sur le rotor (2). 11. Appareil selon l'une quelconque des revendications I à 9, caractérisé en ce que pour transmettre des informations entre le stator (1) et la source de rayons X le guide de lumière est constitué par une fibre 30 -s cilhante (49)--enroulée sur le rotor (2), excitée latéralement par un émetteur de lumière (50) disposé sur le stator (1) et modulé par les informations à transmettre et en ce qu'il comprend au moins un récepteur de lumière disposé à une extrémité de la fibre pour recueillir les informations véhiculées la long de la fibre (49).