Brevet FR2757954A1 — publié le 19980703

TÊTE DE DETECTION ET COLLIMATEUR POUR GAMMA-CAMERA DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne une tête de détection et un collimateur pour une gamma-caméra et plus particulièrement pour une gamma-caméra dite à "pixels". On entend par gamma-caméra à pixels une caméra sensible aux rayonnements gamma et dont la tête de détection comporte une pluralité de détecteurs élémentaires individuels juxtaposés. L'invention trouve des applications en imagerie médicale, telles quer par exemple, en scintigraphie et en tomographie d'émission SPECT (Single Photo-Emission Computed Tomography). tat de a technique antérieure Les gamma-caméras classiquement utilisées en imagerie médicale sont des caméras de type Anger. On peut se reporter à ce sujet au document (lj dont la référence est indiquée à la fin de la présente description. Les gamma-caméras sont utilisées en particulier pour visualiser la répartition dans le corps, ou dans un organe, de molécules marquées par un isotope ra~lloacti préalaslement rj ecté au patient. a figure 1 rontre plus précisément une tête de détection 1G d'une gamma-caméra de type Anger, disposée en lace d'un organe 12. La tête de détection 10 comporte un collimateur 20, un cristal scintillateur 24, un guide de lumière 22 et une pluralité de tubes photomultiplicateurs 26 juxtaposés de façon à couvrir une face du guide de lumière 22, opposée au cristal scintillateur 24. Le scintillateur est, par exemple, un cristal de NaI(Ti) Le collimateur se présente sous la forme d'un disque de plomb traversé par une pluralité de canaux 21 de passage du rayonnement gamma, sensiblement identiques et parallèles entre eux. Le disque est place contre le scintillateur 24 de telle manière que les canaux 21 soient perpendiculaires à la surface de ce cristal. Pour certaines applications où un facteur d'agrandissement ou de réduction de la taille de l'image par rapport à l'objet est nécessaire, on peut utiliser un collimateur divergent ou convergent. Le collimateur 20 a pour onction de sélectionner parmi tous les rayonnements gamma 30 émis par l'organe 12 ceux qui atteignent la tête de détection sensiblement sous incidence normale. Le caractère sélectif du collimateur permet d'augmenter la résolution et la ttet e ~~ ' ge produite. Cependant, l'augmentation de la résolution se fait au détriment de la sensibilité. En effet, l'ouverture et la longueur des canaux 21 sont déterminés en fonction de l'énergie de l'examen et du compromis résolution spatiale-sensibilité dérivée. Plus les canaux sont longs et étroits, meilleure est la résolution spatiale de la tête de détection, mais plus faible est sa sensibilité. Par tailleurs, l'espacement des canaux est choisie d' autant plus grande que lténergle oes rayonnements reçus est grande. Les canaux des collimateurs connus présentent une section hexagonale (ou ronde pour les hautes énergies) Cette forme est dictée non seulement par des impératifs d'uniformité de la détection mais aussi par des contraintes de fabrication du collimateur. En effet, on estime que la forme en section des canaux du collimateur conduisant à une détection la plus uniforme et homogène possible, est la forme circulaire. Cependant, lorsqu'on juxtapose des canaux de section circulaire, on constate que les parois de matière séparant les canaux présentent des épaisseurs non uniformes. Le caractère non uniforme de l'épaisseur des parois et surtout l'existence de régions intercalaires entre les canaux dans lesquelles l'épaisseur du matériau absorbant (plomb) est plus importante, constitue un désavantage iciportant. En effet, les doses de produit radioactif injectées au patient doivent necessairement être limitées. Ainsi l'intensité du rayonnement émis est relatlvement faible. Dans ces conditions, il convient de réduire l'étendue et l'épaisseur des parois intermédiaires séparant les canaux du collimateur pour limiter des pertes trop importantes du rayonnement "utile". enfin de réduire l'épaisseur des parois entre canaux et les inégalités de cette épaisseur, on réalise des collimateurs dont les canaux présentent une section hexagonale. Cette forme présente aussi l'avantage de faciliter la fabrication des collimateurs. Eni in, on peut noter que la forme hexagonale est retenue dans la mesure ou elle est relati vement proche de la forme circulaire et autorise une détection sensiblement uniforme. Dans le cas de canaux à section hexagonale l'épaisseur des parois qui délimitent les canaux est généralement choisie dans une gamme allant de 0,2 à 2 mm. La taille caractéristique de l'ouverture des canaux, c'est-à-dire la distance entre plats de la section hexagonale est de l'ordre de 1,5 à 4,5 mm. Enfin, la profondeur des canaux est généralement choisie de 30 à 50 mm. Les collimateurs connus sont généralement Fabriqués par une technique d'assemblage de feuilles de plomb mises en forme pour constituer les canaux. Selon une autre technique connue, les collimateurs peuvent également être obtenus par moulage dans un moule à aiguilles. Par retour à la figure 1, on observe que les photons gamma ayant traversé le collimateur atteignent le cristal scintillateur 24 où quasiment chaque photon gamma est converti an une pluralité ut photons lumineux 31. Dans la suite du texte on désigne par "événement" chaque interaction détectée d'un photon gamma avec la matière du détecteur par exemple avec le cristal scintillateur. Les photomultiplicateurs 26 sont conçus pour émettre, lors de chaque événement, une impulsion électrique proportionnelle au nombre de photons lumineux reçus du scintillateur 24. Pour qu'un événement de scIntillation puisse être localisé pis pîcisément, les photomultiplicateurs 2S e ne sont pas directement accolés au cristal scintillateur 24 mais sont séparés de ce dernier par le guide de lumière 22. Les photomultiplicateurs émettent un signal dont l'amplitude est proportionnelle à a quantité totale de lumière produite dans le scintillateur par un rayonnement gamma, c'est-à-dire proportionnelle à son énergie. Toutefois, le signal individuel de chaque photomultiplicateur dépend aussi de la distance qui le sépare du point d'interaction 30 du rayonnement gamma avec la matière du scintillateur. En effet, chaque photomultiplicateur délivre une impulsion de courant proportionnelle au flux lumineux qu'il a reçu. Dans l'exemple de la figure 1, des petits graphiques A, B, C montrent que des photomultiplicateurs 26a, 26b et 26c situés à différentes distances d'un point d'interaction 30 délivrent des signaux avec des amplitudes différentes. La position du point d'interaction 30 et l'énergie d'un photon gamma est calculée dans la gammacaméra à partir des signaux provenant de l'ensemble des photomultiplicateurs en efFectuant une pondération barycentrique des contributions ce chaque photomultiplicateur. Les gamra-canaras de type Angor présentent cependant un inconvénient qui tient au fait que le nombre de photons lumineux créé à chaque événement dans le cristal scintillateur obéit à une statistique de Poisson. Le nombre de photoélectrons arrachés à la photocathode des photomultiplicateurs obéit aussi à la statistique de Poisson. Ainsi, les calculs de la position et de l'énergie sont entachés d'une imprécision liée aux fluctuations poissonniennes du nombre de photons lrnineux et du nombre de photuélectrons pour chaque événement. L'écart type des fluctuations est d'autant plus faible que le nombre de photons ou de photoélectrons est élevé. La résolution spatiale intrinsèque de la gamma-caméra est caractérisée par la largeur à mihauteur de la distribution des positions calculées pour une même source ponctuelle collimatée posée sur le cristal. La résolution est de l'ordre de 3 à 4 mm à 140 keV. Par ailleurs, l'énergie du photon gamma est calculée en faisant la somme des contributions de tous les photomultiplicateurs ayant reçu de la lumière. Elle est aussi entachée d'une fluctuation statistique. La résolution en énergie est caractérisée par le rapport de la largeur à mi-hauteur de la distribution des énergies calculées sur la valeur moyenne de la distribution, pour une même source. Elle est de l'ordre de 9 à 111 à 140 keV. On connaît par ailleurs des têtes de détection pour gamma-caméras, dans lesquelles le cristal scintillateur et les photomultiplicafieurs sont remplacés par des détecteurs solides agencés sous la forme d'une matrice de détecteurs individuels. Dans un tel cas la résolution spatiale de la yamma-camra dépend de la taille des détecteurs individuels. La figure 2 annexée montre à titre indicatif et de Façon très schématique une tête de détection à détecteurs solides. La tête de détection 40 comporte une pluralité de détecteurs élémentaires individuels 42 à semi-conducteurs. Il s'agit, par -::emple, de détecteurs de type CdTe ou CdZnTa. Les détecteurs individuels sont sensiblement identiques les uns aux autres et sont juxtaposés sous la forme d'un réseau matriciel pour Former un plan de détection 4. Les détecteurs 42 sont par ailleurs reportés sur une carte de circuit imprimé 46 et sont reliés à des préamplificateurs (non représentés) de cette carte. La carte 46 permet de recueillir les signaux de détection des différents détecteurs individuels, de les mettre en forme et de les diriger vers une unité de calcul et de traitement d'informations 48. Cette unité permet de calculer la position et l'énergie des événements. Une tête de détection conforme à la figure 2 présente, par rapport à la tête de détection de la figure 1, l'avantage d'une amélioration sensible de la résolution en énergie par ce que le nombre de charges créées dans le semi-conducteur est dix fois plus important que le nombre de photons lumineux créés dans le cristal scintillateur. Une gamma-caméra, équipée d'une tête de détection conforme à la figure 2 peut également être équipée d'un collimateur pour sélectionner les rayonnements sensiblement perpendiculaires à la tête de détection. La figure 3 montra, en vue de dessus partielle, une gamma caméra à détecteurs solides équipée d'un collimateur conventionnel. On distingue sur la figure des détecteurs individuels 42 juxtaposés pour former le plan de détection 44. Les Détecteurs individuels élémentaires présentant une partie centrale 50 sensible et un bord périphérique (le plus cible possible) 52 non sensible aux rayonnements gamma. Au-dessus du plan de détection 44 est disposé un collimateur 20, semblable à celui de la figure 1. Il comporte une pluralité de canaux 21 de section hexagonale, juxtaposés et avec un axe principal sensiblement perpendiculaire au plan de détection 44. Chaque canal est délimité par une feuille de plomb pliée en forme hexagonale. Les feuilles de plomb, ainsi mises en forme, sont juxtaposées et solidarisées pour former le collimateur 20. Une telle structure, dite "en nid d'abeille", est particulièrement pratique à réaliser et est bien connue pour la fabrication de collimateurs tels qu'utilisés sur les caméras de type "Anger". Le collimateur peut aussi être moulé dans un moule présentant des aiguilles de section hexagonale. Bien que le fonctionnement d'une tête de détection conforma à la figure 3 soit globalement satisfaisante les inventeurs ont remarqué une dont uniformité de sa sensibilité et noté que cette non uniformité provient du recouvrement inégal des détecteurs élémentaires par les canaux du collimateur. Ce problème est mis en évidence et illustré par les figures 4A, 43, 40 et 4D. Les figures 4 à 4D montrent, en vue de dessus, différents positionnements relatifs d'un détecteur individuel 42 de la tête de détection de la figure 3 par rapport aux canaux 21 du collimateur 20. Pour des raisons de simpliFication un seul détecteur individuel et une partie seulement du collimateur sont représentés. Par ailleurs, l'échelle des figures 4A à 4D est légèrement plus grande que celle de la figure 3. Des calculs de surface en regard de la partie sensible du détecteur avec des canaux du collimateur ont été effectués avec des détecteurs dont la partie sensible est de forme carrée et présente un côté I de 4 mm, et avec des canas he::agonau: dont la distance d entre plats est de 1, mm. Ces calculs montrent que la surface en regard est respectivement de 12,6 mm2 ; 12,2 mm2 ; 11,8 mm et 12,6 mm2 pour les configurations des figures 4A à 4D respectivement. Pour éviter les problèmes de non-uniformité de la réponse de la tête de détection il est possible d'adapter les dimensions des canaux hexagonaux de façon qu'ils recouvrent une même aire de la surface active de chaque détecteur individuel. Ceci nécessite la fabrication d'un collimateur avec des canaux de forme hexagonale non-régulière. La fabrication d'un tel collimateur est cependant peu commode et coûteuse. Ainsi, un but de la présente invention est de proposer une tête de détection ne présentant pas les limitations et inconvénients évoqués ci-dessus. Un autre but de l'invention est de proposer une tête de détection avec des détecteurs individuels à semi-conducteurs et avec un collimateur de forme régulière, et qui présente une sensibilité uniforme. Un Dut est également de proposer un collimateur pour une tête de détection à détecteurs individuels juxtaposés, autorisant une détection uniforme. Exposé de l'invention Pour atteindre les buts mentionnés, l'invention a plus précisément pour objet une tête de détection de gamma-caméra comprenant - une pluralité de détecteurs élémentaires à semi conducteurs, sens blement identiques et j juxtaposés pour former un ulari de détection, et - un collimateur, disposé devant le plan e détection et comprenant une pluralité de canaux de passage du rayonnement gamma, sensiblement identiques et agencés selon un motif de répétition et dans laquelle les détecteurs élémentaires et le motif de répétition présentent une forme rectangulaire selon le plan de détection avec respectivement une longueur et une largeur, la longueur et la largeur du motif de répétition étant des sous-multiples ou des multiples, respectivement de la longueur et la largeur des détecteurs élémentaires. Au sens de la présente invention, on entend par longueur et largeur du motif de répétition des canaux, la longueur et la largeur des canaux, y compris l'épaisseur des parois de matière qui délimitent les canaux. De la même façon en entend par longueur et largeur des détecteurs élémentaires la longueur et la largeur de leur partie sensible y compris l'épaisseur de zones "mortes" non sensibles qui entourent éventuellement les parties sensibles. Dans le cas où des parois intercalaires sont prévues entre les détecteurs élémentaires, la longueur et la largeur des détecteurs élémentaires, s'entendent comme incluant l'épaisseur de cas parois. Enfin, il conviant de pré viser cue le terme rectangle est compris comme désignant la forme d'un quadrilatère dont les quatre angles sont droits. Ainsi, la forme dite "rectangulaire" désigne également une forme carrée qui n'est qu'un cas particulier de forme rectangulaire. Il apparaît que, gracie aux caracte-lstiques de l'invention, la surface sensible de détecteur en regard avec des canaux du collimateur est sensiblement identique pour opaque détecteur élémentaire. Ceci permet d'obtenir une excellente uniformité de réponse de la tête de détection ainsi équipée. Selon des aspects particuliers de réalisation de la tête de détection, la forme des détecteurs élémentaires et/ou celle du motif de répétition est carrée. De façon générale la longueur et la largeur du motif de répétition sont choisies comme des sousmultiples respectivement de la longueur et la largeur des détecteurs élémentaires. Toutefois, dans des applications particulières telles que, par exemple, la tomographie par émission de positions PET (Positon Emission Tomography) , on peut envisager d'utiliser une tête de détection conforme à l'invention avec un collimateur pour lequel la longueur et la largeur du motif de répétition des canaux sont respectivement des multiples de la longueur et la largeur des détecteurs élémentaires. En effet, avec une cannera de tomographia PET on effectue une collimation "électronique" basée sur la détection de deux rayonnements gamma colinéaires respectivement sur deux détecteurs opposés. Dans un tel cas, le collimateur disposé devant le plan de détection n est utile que pour limiter la détection de rayonnements dont l'angle d'incidence (mesuré par rapport à la normale) est très élevé. Les dimensions des canaux de passage du rayonnement, du collimateur peuvent alors 5 r- supérieures à celles des détecteurs élémentalres. L'invention con terne également un collimateur pour une gamma-caméra. Conformément à 1' invention, le collimateur comporte une pluralité de canaux de passage oie t a \onnement gamma, sensiblement identiques et parallèles entre eux, les canaux présentant une section transversale carrée. L'invention concerne enfin une gamma-caméra comprenant un collimateur ou une tête de détection tels que décrits ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés, donnée à titre purement illustratif et non limitatif. Brève description des figures - La figure 1, déjà décrite, est un schéma montrant de façon simplifiée le fonctionnement d'une caméra de type Anger équipée d'un collimateur. - La figure 2 montre de façon schématique une tête de détection à semiconducteurs pour gamma-caméra, avec une pluralité de détecteurs individuels. - La figure 3 est une vue de dessus partielle d'un détecteur conforme à la figure 2 équipée d'un collimateur à canaux de section hexagonale. - Les figures 4A à 4D montrent de façon détaillée différents types de recouvrement possibles entre les détecteurs individuels de la tête de détection et les canaux du collimateur. - La figure 5 est une vue schématique partielle de dessus d'une tête de détection conforme à 1' invention. - La fIgure 6 est une vue schématique partielle de dessus d'une etc de détection conforme à L'invention selon une variante de réalisation. Descr,pt:on déraillée de modes de mise en oeuvre de 1 ' invention Dans la description qui suit, des parties identiques ou similaires à celles des figures déjà décrites portent les mêmes références auxquelles on a ajouté 100. Comme indiqué ci-dessus, la figure 5 est une vue partielle de dessus d'une tête de détection 140 conforme à l'invention. La tête de détection comporte une pluralité de détecteurs élémentaires 142 juxtaposés sous la forme d'un réseau matriciel pour former un plan de détection 144. Les détecteurs élémentaires 142 sont des détecteurs à semi-conducteurs de type CdTe ou CdZnTe et présentent dans le plan de détection 144 une surface carrée de 3 à 5 mm de côté. Dans l'exemple décrit, la surface de chaque détecteur dans le plan de détection 144 présente une partie centrale 150 sensible aux rayonnements gamma et un bord périphérique non-sensible 152. La partie centrale sensible présente également une surface carrée de 3 à 5 mm de côté. Cette cote est indiquée sur la figure avec la référence L. Le bord périphérique 152 présente une épaisseur E de l'ordre de 3 mc. La tête de détection comporte an outre des circuits à préamplificateurs pour recueillir les signaux issus des détecteurs 142 et les diriger vers une unité de traitement. Cas éléments sont omls sur la iyur- 5 dans un souci de clarté. La tête de détection 140 comporte également un collimateur 120 disposé devant le plan de détection 144. Le collimateur 120 peut être disposé directement an contact avec la plan de détection 144. Le collimateur présente une pluralité de canaux 121 de passage du rayonnement ganta a agencés perpendiculairement au plan de détection. On peut noter que les canaux ne sont pas nécessairement perpendiculaires au plan de détection mais peuvent Former, dans une application particulière, un faisceau divergent ou convergent. Les canaux 121, juxtaposés, sont agencés selon un motif de répétition de canaux individuels présentant chacun une section carrée selon le plan de détection. Le côté de chaque section carrée est un sousmultiple du côté de la surface carrée des détecteurs individuels. Dans le cas de la figure 5, la longueur et la largeur du motif de répétition correspondent au tiers de la longueur et à la largeur des détecteurs élémentaires dans le plan de détection. Ainsi, 9 canaux y compris leurs parois, correspondent à la surface de chaque détecteur. Dans l'exemple particulier donné, chaque canal carré 121 présente une ouverture avec un côté F. de l'ordre de 1,33 mm et est délimité par une paroi 123 d'une épaisseur e! de l'ordre de 0,1 mm. On peut vérifier que la proportion de la surface de partie centrale 150 sensible, interceptée par les canaux est la même pour chaque détecteur élémentaire 142. Une bonne uniformité de détection est ainsi obtenue. La figure 6, mont ce une va riante de réalisation du détecteur de I' invention. Dans le cas de la figure 6, le côté, c'est-àdire la largeur et la longueur du motif de répétition sont égaux à la moitié du côté de la surface de chaque détecteur élémentaire dans le plan de détection. Les éléments représentés sur la figure 6 sont, à l'exception de leur dimensions, similaires à ceux de la figure 5. Ils sont désignés par les mêmes références et on peut se reporter à leur sujet à la description qui précède. Dans l'exemple de la figure 6, chaque canal présente une ouverture avec un côté 82 de 1,7 mm et est entouré d'une paroi 123 d'une épaisseur e2 de 0,3 mm. De façon avantageuse des collimateurs 120 tels que représentés sur les figures 5 et 6 peuvent être réalisées par électro-rosion à partir d'un bloc massif de matériau absorbant tel qu'un bloc massif de plomb. Des aiguilles d'électro-érosion ayant une forme correspondante à celle des canaux sont avancées dans le bloc pour former les canaux. Cette méthode facilite la réa 1 isat ion de canaux avec une section carrez et permet d'obtenir des angles nets. Selon une variante, on peut aussi Fabriquer les collimateurs conformes à l'invention par moulage. Dans ce cas, les canaux sont définis par des aiguilles à section carrée. Ces aiguilles sont de préférence légèrement pyramidales pour faciliter le démoulage des collimateurs. DOCUMENT CITE (1) US-.;R-3 011 051 REVEND I CATIONS 1. Tête de détection de gamma-caméra, caractérisée en ce qu'elle comprend - une pluralité de détecteurs élémentaires (142) à semi-conducteurs, sensiblement identiques et juxtaposés pour former un plan de détection (144), et - un collimateur (120), disposé devant le plan de détection et comprenant une pluralité de canaux (121) de passage du rayonnement gamma, sensiblement identiques et agencés selon un motif de répétition et dans laquelle les détecteurs élémentaires (142) et le motif de répétition présentent une forme rectangulaire selon le plan de détection (120) avec respectivement une longueur et une largeur, la longueur et la largeur du motif de répétition étant des sousmultiples ou des multiples respectivement de la longueur et la largeur des détecteurs élamentaires. 2. Tête de détection selon la revendication 1, dans laquelle la forme des détecteurs élémentaires et/ou la forme OLI motif de répétition est ta crée selon le plan de détection. 3. Tête de détection selon la revendication 2 dans laquelle la largeur et la longueur du motif de répétition est égale au tiers de la largeur et de la longueur des détecteurs individuels. 4. Tête de détection selon la revendication 2 dans laquelle la largeur et la longueur du motif de répétition est égale à la moitié de la largeur et de la longueur es détecteurs individuels. 5. ColLimateur de gamma-caméra, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de canaux (121) de passage de rayonnement gamma, sensiblement identiques et parallèles entre eux, les canaux présentant une section transversale carrée. 6. Gamma-caméra comprenant un collimateur selon la revendication 5. 7. Gamma-caméra comprenant une tête de détection selon l'une des revendications 1 à 4.