Brevet FR2637987A1 — publié le 19900420

"Procédé et dispositif pour déterminer la distribution spa- tiale des électrons émergeant de la surface d'un corps radio-actif" La présente invention concerne la détermination de la distribution spatiale des électrons émergeant de la sur- face d'un corps radio-actif. Elle s'applique plus particulièrement à des techni- ques utilisées en biologie. Il est classique de déterminer la localisation de molécules dans un certain corps ou milieu, en marquant celles-ci par des substances radio-actives et en détermi- nant la position des électrons émergeant du corps ou milieu radio-actif renfermant ces molécules. La technique la plus courante pour déterminer cette distribution est l'autoradiographie, qui consiste à placer un échantillon, tel qu'une coupe mince, contenant les molé- cules marquées contre un film photographique, qui est im- pressionné par les électrons (ou rayons P) émis par les éléments radio-actifs de ces molécules. L'autoradiographie présente un triple inconvénient: - elle demande un temps extrêmement long (souvent plusieurs mois) pour avoir des taches observables sur le film photographique, par exemple dans le cas des coupes de tissus biologiques; - il faut disposer d'un appareil coteux pour mesu- rer les densités photographiques des taches si l'on veut avoir une information quantitative sur les distributions relatives d'intensité du rayonnement et donc de la concen- tration des substances radio-actives; - la précision sur l'intensité du rayonnement est limitée par la gamme dynamique, relativement réduite, des films photographiques, d'une part, et le bruit de fond, relativement élevé, d'autre part, de ceux-ci, en particu- lier dans le cas d'une pose très longue, qui est néces- saire, comme indiqué précédemment. Par contre l'autoradiographie permet d'obtenir une précision spatiale très grande, de l'ordre de quelques microns, qui n'est pas obtenable par d'autres procédés d'imagerie connus, car la limitation de la précision spa- tiale résulte uniquement de la dimension physique de la distribution de la tache radio-active. On a proposé d'accélérer la détermination de la localisation de molécules, marquées par des éléments radio-actifs dans un corps, par la mise en oeuvre de détecteurs gazeux qui, en réponse à un électron émis par les molécules marques, produisent une ionisation d'o résulte une impulsion électrique qui peut être localisée, après une multiplication appropriée dans le gaz. On a pro- posé en particulier comme détecteurs gazeux des chambres à fils. L'inconvénient des détecteurs gazeux, et en parti- culier des chambres & fils, est le parcours souvent consi- dérable des électrons, émis par les molécules marquées, dans le gaz du détecteur, ce qui limite la précision de la localisation des molécules marquées. En effet le parcours, à la pression atmosphérique, peut être de plusieurs cen- taines de microns lorsque les molécules sont marquées avec du tritium, qui émet des électrons ou rayons P peu énergi- ques (à 6 keV en moyenne environ), et des dizaines de cen- timètres avec le phosphore 32, qui émet des électrons très énergiques (à 600 keV en moyenne environ). Pour pallier l'inconvénient précité des détecteurs gazeux, un article de Petersen, Charpak, Melchart et Sauli dans Nuclear Instruments and Methods 176 (1980) 239-244, propose un détecteur gazeux dans lequel l'amplification des électrons d'ionisation libérés dans le gaz du détecteur se produit préférentiellement pour les électrons libérés près de la surface du détecteur contre laquelle est placé le corps à examiner comportant les molécules marquées, ce qui permet une précision accrue, de l'ordre de quelques cen- taines de microns, même pour les électrons émis par le phosphore 32, ainsi que cela ressort d'un article de Messieurs Bateman, Stephenson et Connolly dans Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 269 (1988) 415-424. On notera que les détecteurs gazeux des différents types mentionnés ci-dessus comportent des électrodes, cons- tituées en particulier par des fils, et que la localisation des avalanches de multiplication qui sont provoquées dans le gaz détecteur par les électrons provenant du corps radio-actif repose sur la détection des impulsions électri- ques engendrées dans ces électrodes par le mouvement des électrons et des ions produits par les avalanches. Contrairement à la technique d'autoradiographie, d'une part, et des détecteurs à gaz avec détection des impulsions électriques produites dans des électrodes, d'autre part, la présente invention réalise la détection des avalanches produites dans un milieux gazeux, en réponse aux électrons émis par le corps radio-actif à examiner, par des moyens optiques qui détectent les photons, ultraviolets ou visibles, émis par les avalanches. D'un autre côté on connaît, d'après l'article de Messieurs Charpak, Dominik, Fabre, Gaudaen, Sauli et Suzuki, dans Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 269 (1988) 142, un détecteur qui met en oeuvre la détection optique des avalanches produites par les électrons qui se multiplient dans un champ électrique intense, ces électrons étant produits par des réactions d'ionisation, les avalanches étant produites entre des grilles parallèles entre lesquelles est appliquée une haute tension continue et la détection optique des avalanches étant réalisée par mise en oeuvre d'un système qui comporte successivement un convertisseur d'image, un intensificateur d'image et une caméra du type CCD (dispositif à couplage de charge) optiquement couplée à l'intensificateur d'image par des fibres optiques. Toutefois ce dernier article ne prévoit nullement l'application du détecteur gazeux qu'il décrit à la détec- tion optique des électrons émis par des corps radio-actifs, et ne fournit aucun enseignement qui permettrait une telle application. L'invention a justement pour objet de réaliser, par des moyens analogues & ceux prévus dans ce dernier article, la détection des avalanches produites par les électrons ou rayons P émis par un corps radio-actif, afin de pouvoir déterminer ensuite, par des moyens calculateurs appropriés, la localisation des sources d'électrons ou rayons 0 cons- titués par des molécules marquées de celui-ci, avec appli- cation notamment à l'imagerie médicale. De ce fait l'invention a pour objet: - d'une part, un procédé pour déterminer la distri- bution spatiale des électrons émergeant de la surface d'un corps radioactif, caractérisé en ce qu'on dispose ladite surface contre la face d'entrée d'un détecteur gazeux, comportant au moins une chambre et contenant, entre élec- trodes, un gaz noble et un gaz ou vapeur qui émet des photons en réponse à l'impact d'électrons, et qu'on déter- mine la position des impacts, dans le détecteur, des électrons provenant de ladite surface, par l'observation des photons créés par une avalanche électronique, due à une multiplication entre ces électrodes, par un ensemble repé- rant les photons et calculant le centre de gravité de la distribution de ces photons; - d'autre part, un dispositif pour déterminer la distribution spatiale des électrons émergeant de la surface d'un corps radio-actif, par la mise en oeuvre du procédé susvisé, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison: un détecteur gazeux, comportant-au moins une chambre et contenant un gaz noble et un gaz ou vapeur qui émet des photons entre deux électrodes parallèles entre lesquelles est appliquée une haute tension continue, une première électrode étant destinée à recevoir, contre sa face externe, la surface du corps radio-actif à observer; un amplificateur de brillance disposé pour recevoir les photons émis par les atomes excités qui sont produits à proximité d'une deuxième électrode par l'avalanche élec- tronique due au champ électrique entre les première et deuxième électrodes; une camera disposée derrière l'am- plificateur de brillance; et des moyens calculateurs aptes à calculer, à partir du signal de sortie de la caméra, les points d'entrée dans ledit détecteur gazeux, au niveau de la première électrode, des électrons émergeant de ladite surface du corps radio-actif. Avantageusement: la surface du corps radio-actif disposé contre la face d'entrée du détecteur gazeux est revêtue d'une couche électriquement conductrice transpa- rente aux rayons P ou électrons émis par le corps radio- actif; la caméra est du type CCD: les électrodes sont constituées par des grilles; le gaz noble est le xénon ou l'argon; et le gaz ou vapeur émetteur de photons est constitué par la triéthylamine, le tétrakis(diméthylamine- éthylène, l'azote ou la vapeur d'eau. On peut prévoir soit une seule chambre renfermant le gaz noble et le gaz ou vapeur émetteur de photons, soit deux chambres disposées l'une derrière l'autre, la première réalisant une amplification électronique préliminaire et la seconde transformant les électrons, en provenance de la première chambre, en une avalanche plus intense, les deux chambres étant remplies du même gaz ou vapeur émettant les photons et du gaz noble. Les moyens calculateurs sont généralement program- més pour calculer le centre de gravité ou le maximum de la distribution des photons produite par une avalanche (en fait le sommet d'une courbe représentant la distribution des avalanches, car les électrons d'ionisation libérés dans le gaz par les rayons P ou électrons sont multipliés pré- férentiellement lorsqu'ils ont une grande distance à parcourir, ce qui privilégie les électrons libérés & l'entrée de la chambre, ou, en variante, effectuent le calcul d'un autre algorithme mathématique mieux approprié à la distribution spatiale des avalanches dans des cas particuliers. En tout cas la précision obtenue sur le point d'en- trée dans le détecteur gazeux, au niveau de la première électrode, de chaque électron émis par le corps radio-actif est très supérieure & l'extension physique des avalanches qui peuvent atteindre, pour chaque électron d'ionisation initial, une valeur de l'ordre du millimètre, la précision étant au moins dix fois plus grande, c'est-à-dire supé- rieure à un dixième de millimètre. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'in- dication. Les figures 1 et 2 illustrent, schématiquement et en coupe, deux modes de réalisation d'un dispositif mettant en oeuvre les perfectionnements selon l'invention. Selon l'invention et plus spécialement selon celui de ses modes d'application, ainsi que selon ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la préférence, se proposant, par exemple, de réaliser un procédé et un dispositif pour déterminer la distribution spatiale des électrons émergeant de la surface d'un corps radio-actif, on s'y prend comme suit ou d'une manière analogue. Le dispositif comporte, entre deux fenêtres la,lb, la deuxième, lb, au moins étant en "Aclar" (polychlorotri- fluoroéthylène) ou en tout autre matériau transparent aux photons émis, une chambre 2 de détecteur gazeux délimitée - par deux électrodes 3a,3b constituées par des grilles, formées, dans l'exemple, par des fils de 50 microns de dia- mètre distants de 500 microns; ces électrodes sont séparées par un intervalle d de l'ordre par exemple de 4 mm dans le cas de la figure 1 ou d' de l'ordre de 6 mm dans le cas de la figure 2. Une haute tension +HT est appliquée à la grille 3b, tandis que la grille 3a est connectée à la masse, de ma- nière à assurer une différence de potentiel haute tension HT, de l'ordre de 3500 V (environ 10 000 V/cm), par exem- ple, entre les deux électrodes, le signal de charge étant disponible en 4. Le corps radio-actif à observer, référencé 5 sur la figure 1, est disposé dans celle-ci directement contre la première électrode-grille 3a. Par contre, dans le mode de réalisation de la fi- gure 2, le corps radio-actif 6 à examiner est couvert d'une couche mince 6a conductrice de l'électricité, mais transpa- rente aux électrons émis par le corps. Par exemple on a appliqué une pellicule d'or 6a, épaisse de 100 Angstroms, sur une coupe 6 de rein de rat au moyen d'un appareil du type classique utilisé en microscopie électronique pour réaliser une pulvérisation cathodique d'or. Les électrons (à 6 keV en moyenne) émis par le tritium qui marquent les molécules de la coupe de rein traversent facilement une telle couche. A une fine pellicule d'or on peut substituer une pellicule transparente (aux électrons) d'un autre métal ou d'oxyde d'étain. Le corps radio-actif 6 est maintenu dans une plaque perforée 7 en un métal conducteur, par exemple en cuivre. On notera que dans le cas d'utilisation du phos- phore 32 pour marquer les molécules, les électrons émis par celui-ci sont suffisamment pénétrants (600 keV en moyenne) pour pouvoir utiliser une feuille de matière plastique, par exemple une feuille de mylar épaisse de 6 microns, pour sé- parer le corps radio-actif 5 ou 6 de l'électrode-grille 3a. L'observation des photons 8 résultant de l'impact en 9', à proximité de la deuxième électrode-grille 3b, de la majorité des électrons de l'avalanche produite par les électrons d'ionisation engendrés par les électrons émis par le corps radio-actif 5 ou 6 se fait, à travers un diaphragme 10 et une lentille 11 de focalisation, par une caméra 12 de type CCD, précédée d'un amplificateur de lumière 13. Quant au volume gazeux 14 du détecteur gazeux dis- posé entre les électrodes-grilles 3a et 3b de la chambre unique 2 du mode de réalisation des figures 1 et 2, il est constitué par un mélange gazeux d'un gaz noble et d'un gaz ou vapeur qui émet des photons. En particulier on a mis en oeuvre un mélange de 96,5% de xénon et de 3,5% de triéthy- lamine, le xénon et le triéthylamine réalisant une ampli- fication électronique et la triéthylamine l'émission de photons. En fait une avalanche exponentielle d'électrons est produite par le champ électrique entre les électrodes 3a et 3b (entre lesquelles est appliquée la haute tension HT) et on détecte l'image de la fin de cette avalanche. La lumière est émise principalement contre la deuxième électrode 3b. Elle est produite par les atomes excités dans l'avalanche provoquée par l'électron le plus proche de la première électrode 3a. En raison du caractère exponentiel de la multiplication, c'est cet électron là qui produit l'avalanche la plus grande et permet de surmonter l'écueil du grand parcours des rayons c ou-électrons. On a utilisé les dispositifs des figures 1 et 2 pour étudier une coupe, épaisse de 20 microns, d'un rein de rat marqué avec du tritium et on a pu obtenir en trente heures (alors qu'environ trois mois sont nécessaires dans le cas d'une autoradiographie) des détails anatomiques de la taille de 30 à 40 microns. On a également étudié un corps radio-actif consti- tué par un gel porteur de lignes de phosphore 32; la pré- cision est uniquement limitée par la dimension physique des lignes radioactives elles-mêmes et elle est meilleure que le quart du millimètre, bien que l'épaisseur d ou d' de g l'espace gazeux amplificateur entre les deux électrodes- grilles 3a et 3b soit de 4 mm ou 6 mm respectivement. Dans une variante on peut prévoir, à la place d'une chambre unique, entre électrodes 3a et 3b, renfermant à la fois le gaz noble et le gaz émetteur de photons, deux chambres d'amplification successives, toutes deux renfer- mant le gaz noble et le gaz émetteur de photons, l'infor- mation purement électrique de la première chambre (dispo- nible en 4) pouvant être Utilisée pour déclencher l'ouver- ture ou la fermeture de l'amplificateur de brillance 13. La sortie de la caméra 12 est appliquée à un microprocesseur 15 ou autre calculateur, qui est programmé pour effectuer le calcul du centre de gravité de la dis- tribution des photons produite par une avalanche dans la chambre 2. Du fait que l'on utilise un système de détection optique avec calcul au moyen d'un microprocesseur ou autre calculateur, il est possible de prévoir la mise en mémoire des différents résultats et on peut alors obtenir une ana- lyse par portions de surface de l'image du corps radio- actif 5 ou 6, par traitement approprié, dans le micropro- cesseur ou autre calculateur, de l'information sous forme numérique, mise en mémoire, en utilisant l'information électrique obtenue avec l'électrode 3b pour aiguiller les informations optiques en des mémoires séparées correspon- dant à différentes portions de l'image. Dans une variante, on peut remplacer l'ensemble -opto-électronique illustré sur les figure 1 et 2, observant les photons 8 et déterminant la distribution lumineuse, par une batterie de photodiodes à semi-conducteurs, soit pla- cées contre ou près de l'électrode-grille 3b, les signaux des photodiodes permettant de déterminer le centre de gravité ou le maximum de l'impulsion lumineuse, soit cou- plées à l'électrode-grille 3b par des fibres optiques scintillantes transmettant la lumière émise par le gaz émetteur de photons (par exemple la lumière émise par la triéthylamine est centrée sur 280 nm). Comme il va de soi, l'invention ne se limite nul- lement aux modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. tl REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer la distribution spatiale des électrons émergeant de la surface d'un corps radio-. actif, caractérisé en ce qu'on dispose ladite surface contre la face d'entrée d'un détecteur gazeux, comportant au moins une chambre et contenant, entre électrodes, un gaz noble et un gaz ou vapeur qui émet des photons en réponse à l'impact d'électrons, et qu'on détermine la position des impacts, dans le détecteur, des électrons provenant de la- dite surface, par l'observation des photons créés par une avalanche électronique, due à une multiplication entre ces électrodes, par un.ensemble repérant les photons et calcu-- lant le centre de gravité de la distribution de ces photons. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface du corps radio-actif disposé contre la. face d'entrée du détecteur gazeux est revêtue d'une couche électriquement conductrice transparente aux rayons 9 ou électrons émis par le corps radio-actif. 3. Dispositif pour déterminer la distribution spa- tiale des électrons émergeant de -la surface d'un corps radio-actif, par la mise en oeuvre du procédé selon la re- vendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison: un détecteur gazeux, comportant au moins une chambre (2) et contenant un gaz noble et un gaz ou-vapeur qui émet des photons entre deux. électrodes parallèles (3a,3b) entre lesquelles est appliquée une haute tension continue (HT), une première électrode (3a) étant destinée à recevoir, contre sa face externe, la surface du corps radio-actif (5,6) à observer;. un amplificateur de bril- lance (13) disposé pour recevoir les photons émis par les atomes excités qui sont produits à proximité d'une deuxième- électrode (3b) par l'avalanche électronique due au champ électrique entre les première et deuxième électrodes; une. caméra (12) disposée derrière l'amplificateur de brillance; et des moyens calculateurs (15) aptes à calculer, à pantir du signal de sortie de la caméra, les points d'entrée (9) dans ledit détecteur gazeux, au niveau de la première électrode, des électrons émergeant de ladite surface du corps radio-actif. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le détecteur gazeux comporte une seule chambre (2) remplie d'un mélange de gaz noble et de gaz ou vapeur émetteur de photons. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte deux chambres disposées l'une derrière l'autre, la première réalisant une amplification électroni- que préliminaire et la seconde transformant les électrons, en provenance de la première chambre, en une avalanche plus intense, les deux chambres étant remplies du méme gaz ou vapeur émettant les photons et du gaz noble. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 3 à 5, caractérisé en ce que la caméra (12) est du type CCD. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 3 à 6, caractérisé en ce que les électrodes (3a,3b) sont constituées par des grilles. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 3 à 7, caractérisé en ce que le gaz noble est pris dans le groupe constitué par le xénon et l'argon. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendica-- tions 3 à 8,caractérisé en ce que le gaz ou vapeur émetteur de lumière est pris dans le groupe constitué par la trié- thylamine, le tétrakis(diméthylamine)éthylène, l'azote et la vapeur d'eau. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 3 à 9, caractérisé en ce que les moyens calcula- teurs (15) sont programmés pour calculer le centre de gra- vité ou le maximum de la distribution des photons produite dans le détecteur par une avalanche sous l'effet de l'im-. pact d'un électron en provenance du corps radio-actif, ou bien tout autre algorithme adapté à l'énergie du rayonne- ment p. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 3 à 9, caractérisé en ce que les moyens calcu- lateurs (15) comportent une mémoire apte à stocker, sous forme d'informations numériques, la distribution des pho- tons dans différentes portions de surface du corps radio- actif (5,6), les moyens calculateurs permettant de res- tituer cette distribution par portion de surface du corps radio-actif en utilisant l'information contenue dans des signaux électriques provenant d'une des électrodes.