Brevet FR2698184A1 — publié le 19940520

La présente invention concerne un procédé et un dispositif capteur d'image par rayons X utilisant la post-luminescence d'un scintillateur et un ou plusieurs senseurs d'image à transfert de charge (CCD) exposés à la radiation qui, ensemble avec un système numérique correspondant et adéquat pour recevoir et traiter l'information de l'image, est destiné à remplacer les films radiologiques à dimensions réduites à l'occasion des radiographies X, quand les avantages comme réduction de la dose de radiation utilisée, annulation du temps de développement ou possibilités de traitement numérique sur l'image (rehaussement, filtrage, agrandissement, archivage électronique, etc) sont assez importants. ETAT DE L'ART Lors de l'apparition des senseurs d'images CCD,(Charge Coupled Device) basés sur le mécanisme de transfert de charge à la surface des semi-conducteurs, il est devenu possible de construire des caméras photo ou télévision de petites dimensions très sensibles, utilisables dans les plus variés domaines Ces dispositifs ne remplacent pas seulement les anciens tubes à vide comme capteurs d'images mais il imposent en même temps une structure numérique aux chaînes d'images qui les utilisent Dans les applications d'images en rayons X, ont été signalés comme problèmes: la taille trop petite des senseurs à comparer avec la taille des radiographies à prendre, la résolution moins bonne que le film classique et l'effet destructif de la radiation sur la structure du semi-conducteur. Regardant aux solutions proposées dans les brevets (EP-A-0 129 451, FR-A-2 333 404, EP-A-0285214, EP-A-0 372 122, EP-A-0 373 717, EP-A-0 149 502, EP-A-0 279 294) on constate que dans tous les cas, l'image de l'objet à visualiser en rayons X est converti en une image visible à l'aide d'un écran scintillateur. Pour résoudre le problème de la taille, on fait appel à des systèmes optiques qui transposent l'image en provenance du scintillateur sur la surface du senseur CCD en la réduisant convenablement Pour résoudre le problème du bombardement rayons X on se base sur des positions préférentielles du CCD dans le capteur pour réduire la section effective exposée en allant jusqu'à la déportation du senseur CCD au bout d'un guide optique à l'extérieur de la zone considérée dangereuse ou on utilise des écrans transparents suffisamment absorbants. Les désavantages sont évidents: le prix de l'optique, les distorsions géométriques, la baisse de sensibilité et de résolution, la non uniformité d'éclairage et spécialement le gabarit qui peut être jugé inadmissible dans certaines applications Dans le cadre des capteurs d'images rayons X à usage intra-buccal, par exemple, le meilleur compromis jusqu'à maintenant, semble être l'utilisation comme système optique, d'une fibre optique réductrice dopée, tronqué pyramidale qui fait à la fois l'office du réducteur d'image et d'écran contre la radiation non voulue. PROCEDE DE PRISE DE VUE Il est supposé partout dans le cadre de la présente description, que le "Capteur d'image par rayons X utilisant la post-luminescence d'un scintillateur et un ou plusieurs senseurs d'image à transfert de charge (CCD) exposé à la radiation" est suivi d'une chaîne électronique numérique de traitement de signal image. Les explications de fonctionnement sont données en supposant l'utilisation d'un seul senseur CCD Dans le cas du capteur multi- senseur, il existe seulement des différences de montage qui sont visible au chapitre "EXEMPLE DE MONTAGE D'UN CAPTEUR MULTI -SENSEUR". La première caractéristique du procédé est qu'il contient un scintillateur qui est déposé (plaqué) directement sur la surface sensible à lumière d'un senseur CCD En éliminant toute optique intermédiaire entre le scintillateur et CCD, on élimine toutes distorsions géométriques (le senseur lui même peut être considéré comme parfait de ce point de vue) De même, on élimine toute perte ou diffusion de lumière entre la conversion des rayons X dans le scintillateur et l'absorption dans le senseur, ce qui agrandit la sensibilité et la résolution De même, on élimine toute non uniformité d'éclairage zonale ou ponctuelle (introduites particulièrement par les fibres optiques). Le gabarit peut être considéré comme minimal. La destruction du CCD sous bombardement des rayons X, est déterminée par l'absorption des photons X dans le silicium Celle-ci est gouvernée d'une caractéristique spectrale qui montre un coefficient approximatif de 5/cm pour les photons avec une énergie de 74 4 Ke V, de 50/cm pour les photons avec une énergie de 12 4 Ke V et de 10000/cm pour ceux avec 5 Ke V. La deuxième caractéristique de ce procédé est: utiliser une source rayons X qui n'émet pas des radiations de basse énergie A observer que cette idée correspond bien avec les normes de radioprotection biologique dans le cas de la radiologie médicale. L'absorption d'un photon X par un électron se traduit dans un premier temps dans l'éjection de celui-ci de son niveau énergétique profond dans la bande de conduction o il possède une énergie cinétique importante Son énergie est transférée par collision vers les autres électrons de la bande de valence en générant des paires électron-trou et ensuite vers le réseau cristallin Le réseau reçoit cette énergie sous la forme de chaleur, modification de liaisons cristallines (ce qui signifie l'apparition des centres de génération recombinaison semblable comme effet aux impuretés de dopage) ou, dans certaines conditions, encore plus destructif, transport de masse S'il y a un champ électrique appliqué, les porteurs de charge ainsi généré sont accélérés de plus et ils peuvent générer par collision d'autres porteurs de charge, en se multipliant Le phénomène est caractérisé par un facteur dit de multiplication qui dépend particulièrement de la valeur du champ électrique appliqué On transfère ainsi de l'énergie de la source du champ appliqué vers le réseau Pour certaines valeurs du champ appliqué, le facteur de multiplication atteint la valeur infinie et dans ce cas, il y a une multiplication en avalanche, phénomène qui est souvent destructif. La troisième caractéristique de ce procédé est: pour réduire les effets de la radiation on choisit la polarisation du senseur CCD pendant l'exposition aux rayons X, pour minimiser les camps électriques dans sa structure. Habituellement, pour une prise de vue, les senseurs à CCD mono coupe parcourent trois étapes différentes en fonction des tensions appliquées à ses électrodes: effacement, intégration et lecture Dans les appareils connus, l'exposition aux rayons X coïncide avec la période d'intégration quand le CCD est assez polarisé. Le présent procédé se caractérise par un décalage entre le cycle électrique d'acquisition d'image et l'exposition aux rayons X Pendant l'exposition, l'image est mémorisée sur le scintillateur, le CCD se trouvant dans la condition de champ électrique minimal Tout de suite après l'exposition, le CCD est polarisé régulièrement pour parcourir les trois étapes: effacement très rapide, intégration pour recevoir la quantité de lumière (l'image) dégagée par le scintillateur en cours de relaxation et la lecture. Pour réduire au minimum le temps d'initialisation après la connexion sous tension, le CCD peut être conçu avec des moyens spéciaux, par exemple grille "antiblooming" (anti-épanouissement). La quatrième caractéristique de ce procédé est: un cycle CCD d'acquisition image en rayons X est constitué de quatre périodes: champ électrique minimal, effacement rapide, intégration, lecture. Le temps de relaxation du scintillateur doit être suffisamment long pour ne pas compter les pertes de lumière pendant l'effacement du CCD Le temps de relaxation du scintillateur doit être suffisamment court pour pouvoir intégrer toute la quantité de lumière sans mettre en évidence le bruit propre au CCD La saturation du scintillateur doit être suffisante pour rendre un bon niveau de signal (voir la saturation) à la sortie du CCD. La cinquième caractéristique de ce procédé est: on utilise la post-luminescence du scintillateur qui est excité par radiation X. Malgré la réduction du champs électrique dans la structure du CCD pendant l'exposition, celui-ci est soumis à une dégradation lentement progressive due au bombardement aux rayons X Au niveau macroscopique, c'est le courant d'ombre qui augmente Supposant que le CCD n'est pas exposé sur toute sa surface à la même densité de radiations (par exemple, il y a toujours au centre, un objet plus ou moins radio opaque), après un nombre important d'expositions, une image quasi constante générée par le CCD lui même, sera additionnée sur l'image utile Cette empreinte du CCD peut être lue sans exposer à la lumière ou rayons X. La sixième caractéristique de ce procédé est: à l'occasion de chaque prise de vue, après la numérisation, on applique une correction cosmétique de l'image acquise en tenant compte en outre, de l'empreinte du courant d'ombre disponible dans la mémoire numérique qui est actualisée à chaque démarrage du système numérique accompagnant, par un cycle de lecture avec le CCD à l'ombre. La figure 1 décrit un cycle d'acquisition d'image. On voit l'évolution dans le temps de l'intensité de la radiation X, noté Ix, en corrélation avec l'intensité lumineuse émise par le scintillateur, noté Il La radiation commence au moment t O et dure jusqu'au, moment tl Cependant le CCD se trouve dans la condition de champ électrique minimal et le scintillateur est excité progressivement en émettant de la lumière Le maximum d'intensité de lumière coïncide avec la fin de la radiation X, c'est à dire le moment tl Entre les moments tl et t 2 coule la période d'effacement rapide quand le CCD est vidé des charges générées avant le moment tl et par le changement essentiel de la polarisation vers l'état optimisé pour le travail en lumière Le régime d'intégration commence au moment t 2 et dure jusqu'à la relaxation essentielle du scintillateur, c'est à dire le moment t 3, quand la quantité de lumière qui reste a émettre est négligeable. Après t 3, le CCD est vidé par la lecture de l'image acquise pendant l'intégration. Sur cette figure on constate que entre les moments y t O et tl, il y a de la lumière qui est perdue Pour réduire cette quantité il faut réduire le temps d' exposition aux rayons X en augmentant inversement proportionnellement l'intensité de la radiation. Autrement dit on réalise la dose nécessaire à l'excitation du scintillateur, plutôt par l'intensité des rayons X que par le temps d'exposition. On voit aussi sur la figure 1, l'importance de la vitesse d'effacement concernant les pertes de lumière entre tl et t 2 La surface comprise entre la courbe de l'intensité de lumière, l'axe du temps, d'une part dans l'intervalle du temps tl,t 2 et d'autre part dans l'intervalle du temps t 3,t 4 détermine une quantité de lumière qui donne un flou vertical de l'image lue sur le CCD Ce flou vertical qui a un aspect très reproductible, est réduit et en plus est retiré par calcul dans la correction cosmétique de l'image conformément à la quatrième caractéristique du fonctionnement citée ci-dessus. EXEMPLE DE MONTAGE D'UN CAPTEUR MONO-SENSEUR La figure 2 est un dessin de principe, vue en section, d'un capteur d'images par rayons X utilisant la post-luminescence d'un scintillateur et un senseur CCD exposé à la radiation X On observe le scintillateur ( 1), qui convertit l'image de l'objet ( 9), en rayons X provenant du générateur ( 8) Le scintillateur ( 1) est déposé directement sur la surface sensible à la lumière du CCD ( 2) ou déposé sur un support à part et collé ensuite avec une colle optique sur la surface du CCD ( 2). L'ensemble du scintillateur et CCD est collé sur une plaque écran-support ( 3) réalisée en matière dure. Cette pièce est déterminante pour la tenue mécanique du capteur Pour arrêter les photons X qui n'ont pas été absorbés dans le scintillateur ou le silicium et réduire ainsi la dose de radiation X absorbée dans le sujet à radiographier, on choisit une matière qui est en plus absorbante de radiation Il convient d'utiliser pour l'écran-support ( 3), par exemple, le tungstène légèrement allié, avec une épaisseur approximative 0,5 mm, qui permet aussi de contacter électriquement le CCD par arrière, s'il y a le cas. L'écran-support ( 3), ensemble avec le CCD ( 2) et le scintillateur ( 1) sont collés sur la surface du support circuit électrique ( 4) Celui ci est double face (éventuellement multicouche) et à faible épaisseur, étant donné que la tenue mécanique est assurée par l'écran support ( 4) Le CCD est connecté au même circuit réalisé sur le support ( 4), à l'aide des fils conducteurs notés ( 5) Les pièces ( 6) représentent les composants du schéma électronique nécessaire au fonctionnement du senseur CCD Les connections du schéma électronique du capteur avec la chaîne électronique numérique de traitement de signal image se font à l'aide d'un câble qui n'est pas représenté dans la figure 2. L'ensemble des composants électroniques ( 6) est protégé contre la radiation diffusée par l'environnement, par un couvercle ( 7) réalisé en matière absorbante. EXEMPLE DE MONTAGE D'UN CAPTEUR MULTI-SENSEUR La figure 3 est un dessin de principe, vue en section, d'un capteur d'images par rayons X utilisant deux senseurs CCD exposés à la radiation X Ce capteur est similaire à celui décrit dans la figure 2 En différence, il y a deux senseurs CCD qui sont notés avec ( 10)et ( 11) et qui sont couverts des écrans scintillateurs ( 12) et respectivement ( 13) Les deux -3 senseurs CCD se chevauchent de telle manière qu'il y a un petit groupe de colonnes de chaque CCD ( 10) qui se trouvent les uns à l'ombre des autres L'absorption des rayons X dans l'ensemble senseur CCD ( 11) et scintillateurs ( 13) est suffisamment faible qu'il reste de la radiation pour les colonnes ombrées du CCD ( 10). Ainsi, une bande dans l'image projetée sur l'ensemble de deux senseurs, est vue par chacun des deux CCD Les deux senseurs CCD ont les plages de connexions établies sur un bord permettant le chevauchement. Il existe un intercaleur ( 14) mis entre le CCD ( 11) et l'écran- support ( 15) qui permet le décalage des CCD En outre, l'écran support ( 15), le support circuit électrique ( 16), les connexions des senseurs CCD ( 17) et ( 18), les composantes électroniques ( 19) et le couvercle ( 20) ont les mêmes rôles et caractéristiques que leurs homologues dans la figure 2. Le schéma électronique et le système numérique qui accompagne ce capteur gèrent pratiquement deux images avec une bande commune au bord L'image d'ensemble est reconstituée après avoir numérisé toutes les deux, par coupe légère de l'images en provenance du CCD( 10), et juxtaposition dans la phase de traitement cosmétique de l'image Les paramètres nécessaires à cette opération peuvent être déterminés une fois pour toujours à la fabrication, par étalonnage et enregistrés dans la mémoire personnelle Les mêmes paramètres peuvent être détermines dynamiquement, à l'occasion de chaque prise de vue en reconnaissant l'ombre du senseur CCD ( 11) dans l'image en provenance du senseur CCD ( 10) Cette deuxième méthode est plus précise car elle élimine le décalage possible entre les deux moitiés d'image, dû à l'angle d'incidence des rayons X sur le capteur. REVENDICATIONS 1) Capteur d'image par rayons X utilisant la post-luminescence d'un scintillateur et un ou plusieurs senseurs d'image à transfert de charge (CCD) exposé à la radiation caractérisé en ce qu'il comporte un senseur d'image CCD ( 2) ou un nombre N de senseurs CCD ( 10),( 11), couverts sur leurs faces sensible des écrans scintillateurs ( 1) ou ( 12),( 13) qui enregistrent temporairement l'image de transparence en rayons X d'un objet à radiographier en la restituant après l'exposition aux rayons X, sous la forme d'une image visible de post-luminescence; cette image de post-luminescence X, est intégrée par le senseur ( 2) ou les senseurs ( 10),( 11) et rendue sous la forme des signaux électriques. 2) Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il contient un nombre N de senseurs CCD ( 10),( 11) couverts des scintillateurs correspondants ( 12),( 13) et chevauchés partiellement pour agrandir la surface totale du capteur. 3) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comporte un écran-support ( 3) ou ( 15) réalisé en matière dure et/ou absorbante de rayons X pour soutenir les sous ensembles du capteur et/ou pour éliminer la radiation X émergente des senseurs CCD. 4) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un support circuit électrique ( 4) ou ( 16) équipé avec les composants électroniques nécessaires au fonctionnement du senseur ou des senseurs CCD. ) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il utilise un couvercle ( 7) ou ( 20) réalisé en matière absorbante qui protège contre la radiation X diffusée par l'environnement, les composants électroniques ( 6) ou ( 19). 6) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il utilise des senseurs CCD qui sont dotés par construction avec des moyens spéciaux pour être vidés à très grande vitesse, afin de réduire la lumière de post-luminescence perdue avant le commencement de l'intégration. 7) Procédé de mise en oeuvre d'un capteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les images obtenues par chaque senseur ( 10),( 11), sont assemblées dans une seule image à l'aide d'un système numérique qui accompagne le capteur. 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que pendant l'exposition des senseurs CCD aux rayons X, leur polarisation est établie à des valeurs choisies pour minimiser les effets destructifs de la radiation X sur eux. 9) Procédé selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que chaque image acquise est corrigée avec l'image empreinte de bruit du capteur qui est obtenu par un cycle de lecture du senseur ou des senseurs, à l'ombre.