Brevet FR2811436A1 — publié le 20020111

- 1 - 1/ GENERALITES Le brevet concerne un capteur à rayons X biface à base de détecteur à semi- conducteur. La famille des semi-conducteurs englobe les différents principes photovoltaïques photoconducteurs... ainsi que les différentes technologies présentes et à venir: CCD (Charge Couplage Device)ou CMOS... Les données scientifiques spécifiques à l'élaboration de ce brevet sont issues des publications suivantes: Review scientific instrum. Vol 56 (5), May 1985 Pages 796-801 James R. Janesick Potential of CCDs for UV and X-ray plasma diagnostics Copyright 1985 American Institute of Physics Laser and particle beams Vol n 10,1992 Pages 827-839 D. Schirmann Progress in UV sofi X-ray imaging Copyright 1992 Cambridge University Press Notions théoriques d' électro-radiologie médicale (livre du technicien manipulateur) H. BERTOJO,L. GARRETA,J. M. DUCLOUX Tome 1 Vigot Frères Ed. 1969 Activation et protection Fascicule B 3075 C. DEVILLIERS Copyright Techniques de l'Ingénieur 1979 Production des rayons X;leur application en radiographie médicale et industrielle Chapitres 2, 6, 8, 12 Y. DURIEZ Masson Ed,1971 2 - 2/ ELEMENTS CONSTITUTIFS DU CAPTEUR La détection des rayons X dans la bouche provient de l'énergie électromagnétique captée par un détecteur à semi-conducteur. Le capteur reçoit un rayonnement proportionnel à l'absorption des différentes couches de matériaux traversées(muqueuse jugale, muqueuse gingivale, os alvéolaire, émail, dentine, cément, complexe vasculo-nerveux pulpaire, matériaux de reconstitution dentaire à base d'eugénate, de résine, d'amalgame, de chrome-cobalt, de céramique, d'or, d'argent, de platine, de palladium). Ce rayonnement peut être capté soit sous la forme originale (rayons X),soit sous la forme modifiée par le changement de la longueur d'onde (rayonnement visible...). A l'heure actuelle, les capteurs intra-buccaux les plus utilisés sont des capteurs à base de silicium utilisant la technologie CCD ou CMOS. A/ LE CAPTEUR C. C. D. CCD "Charge Couplage Device" est un capteur photovoltaïque associé à un dispositif de transfert de charge électronique. Pour rappel l'effet photovoltaïque a pour principe de transformer un rayonnement électromagnétique en charge électrique. B/LE C.M.O.S. Le CMOS est une technologie plus récente dont le principe de transfert de charge est similaire à celui d' un CCD. Pour la suite de l' énoncé les affirmations concernant le terme CCD peuvent être appliquées de façon identique au terme CMOS et seront toutes désignées sous 1' appellation "CAPTEUR". C/ LE SCINTILLATEUR Le scintillateur génère une réaction de luminescence quasi-ponctuelle de faible durée ( environ 10 -6 seconde minimum).Cette réaction est provoquée par l'impact d' une particule de grande énergie sur une surface photo-émettrice. -3 - 3/ BUT DU BREVET A/ EXPLICATION THEORIQUE Le principe de ce brevet est l' utilisation des caractéristiques physiques propres au rayonnement d' émissions X. Les caractéristiques qui sont utiles au développement de ce brevet sont: -la forte énergie -la faible absorption -la rétro diffusion Postulat de base 1 0 L' utilisation des capteurs à semi-conducteur est indispensable, et a pour avantage de pouvoir transformer des photons de haute énergie ( 50 à 70 keV) en électrons, quel que soit la face d' éclairement. En effet les CAPTEUR ont deux architectures possibles: Eclairage face arrière ( Backside illumination): Le détecteur est éclairé par la face P du semi-conducteur (voir figure 1, qui représente le schéma en coupe du CAPTEUR). Eclairage face avant ( Frontside illumination): Le détecteur est éclairé par la face N à travers la couche de silicium du semi- conducteur (voir figure 2, qui représente le schéma en coupe du CAPTEUR). Entre les deux technologies, seules les épaisseurs sont différentes. Mais comme on pourra le voir dans le paragraphe "Absorption", ' épaisseur du silicium n' est pas un paramètre important dans le calcul du bilan d' énergie pour la bande spectrale utilisée. Energie du photon Dans l' imagerie médicale on utilise les rayons X. Cette radiation ionisante de forte énergie (50 à 70 keV) permet d' obtenir un flux d' énergie proportionnelle aux matières traversées, ce qui permet au CAPTEUR de recevoir une image plus ou moins contrastée. E =hc/l E: Energie en J ( 1 eV= 1,6 10-19J) h: Constante de Plank ( 6,626 10-34 J/s) c: Célérité (3 10-8 m/s) -4- 1: Longueur d' onde en m Absorption Comme on 1' a vu dans le paragraphe précédent, 1' énergie des rayons X permet de traverser n' importe quel matériau avec plus ou moins de perte d' énergie. Maintenant on s' intéresse aux matériaux rentrant dans la constitution du CAPTEUR. et tout particulièrement au silicium. En première approximation le silicium a un coefficient d' absorption de 400 cm-' entre et 70 keV. L' atténuation due à 1' absorption se calcule selon la formule suivante: -d /coefAbs Atténuation = e La distance traversée ( d) est au maximum de 300 i m, quel que soit la technologie du CAPTEUR utilisé. Application numérique: Atténuation = e -3 1 0-/400 10-2) = 0,999 = 1 En conclusion, le silicium est transparent à cette longueur d' onde, quel que soit le face éclairée. Cette différence est donc imperceptible dans le bilan d' énergie. La rétro diffusion La forte énergie du rayonnement (rayons X) qui tombe sur une surface métallique ( plomb, aluminium, étain) provoque une interaction avec la matière rencontrée. Dans notre cas, on observe une rétro diffusion. Ce phénomène a pour avantage de renforcer 1' effet photoélectrique, ce qui donne une meilleure qualité d'image. Ce principe est couramment utilisé avec les pellicules photographiques sensibles aux rayons X. Dans ce cas la surface métallique est un alliage de plomb et d' étain, ce qui a pour avantage d' atténuer le rayonnement sur une petite partie (taille du cliché) de 1' espace éclairé par le générateur de rayons X. Dans le cas d' un capteur à deux faces, ' objectif est d' obtenir une bonne qualité d' image grâce au phénomène de rétro diffusion, et d' avoir une atténuation faible et équivalente sur chaque face. Pour obtenir ces caractéristiques, il faut remplacer le plomb par une autre matière métallique telle que 1' aluminium, des matériaux ferreux, 1' étain ou le cuivre. B/ ARCHITECTURES Différentes architectures peuvent être employées; elles sont plus ou moins réalistes. Décrivons dès à présent les principales architectures envisageables avec * deux CAPTEURS sensibles aux rayons X ò un CAPTEUR sensible aux rayons X -5- un CAPTEUR associé à un scintillateur B. 1 /Deux CAPTEURS sensibles aux rayons X Cette solution se compose de deux CAPTEURS montés dos à dos (voir figure 4). Elle a pour inconvénients: a -une épaisseur importante * -un coût de production élevé -des problèmes de synchronisation et de perturbation des signaux électriques dus à l'utilisation de deux CAPTEURS. B.2/ Un CAPTEUR sensible aux rayons X Cette solution est basée sur la faible atténuation du silicium mais aussi sur la sensibilité aux rayons X du CAPTEUR, quel que soit la face éclairée (voir figure 6). Elle a pour avantage d' utiliser un seul CAPTEUR, et elle a pour inconvénient d' utiliser un CAPTEUR avec un dopage spécifique ( lithium). B.3/ Un CAPTEUR associé à un scintillateur Comme dans la solution précédente, la faible atténuation du silicium est un des paramètres importants. Dans cette solution, on utilise un CAPTEUR classique insensible aux rayons X. L'image enregistrée par le CAPTEUR provient du scintillateur qui effectue un transfert de longueur d' onde. Le scintillateur étant un réseau cristallin homogène, il est indifférent au sens de déplacement des photons. Le CAPTEUR verra la même émission de luminescence, quel que soit le sens de parcours des photons X. Le schéma en coupe ci-joint en figure 5 présente 1' évolution du photon X en photon sensible pour le CAPTEUR dans les deux sens de déplacement. La partie haute présente le phénomène de gauche à droite et la partie basse de droite à gauche. -6 - Le système le plus fiable est donc un CAPTEUR associé à un scintillateur. Ce n' est pas d' ailleurs la solution économiquement la plus coûteuse. Le métal choisi pour obtenir la rétro diffusion du rayonnement, et donc 1' amélioration du signal transmis au CAPTEUR est 1' aluminium,un matériau ferreux, 1' étain ou le cuivre. Il a un excellent coefficient de rétro diffusion et un très faible coefficient d' absorption du rayonnement X. Pour éviter toute interférence électrique du métal choisi avec le CAPTEUR auquel est collé le scintillateur, 1' ensemble CAPTEUR -scintillateur est isolé de la feuille métallique par une enveloppe isolante électriquement.S'il s'agit de la feuille d' aluminium,elle provient de la production industrielle destinée à 1' usage domestique culinaire et a une épaisseur de 12 gm.Elle est enroulée autour de l' enveloppe protectrice du bloc CAPTEUR-scintillateur. Il faut ajuster le nombre de couches d' aluminium en fonction des différents éléments utilisés dans le capteur. Quand c' est 1' aluminium qui est utilisé, pour optimiser le phénomène de rétro diffusion, et atténuer le phénomène de radio-absorption, la face "brut" de la feuille d' aluminium est placée en direction des rayons X, donc vers 1' extérieur, et la face "lisse" vers le CAPTEUR, donc vers l'intérieur. -7- REVENDICATIONS 1- Système permettant d' obtenir des images radiographiques numérisées et comportant: -un ordinateur à application graphique comprenant les interfaces informatiques nécessaires pour gérer le signal transmis par un CAPTEUR -une source de rayons X avec des paramètres d' émission indépendants de 1' ordinateur, réglé selon le capteur, la longueur du tube, la zone maxillaire à analyser. -un capteur de rayons X capable de recevoir et traduire ce rayonnement X par chacune de ses deux faces. 2-Système selon la revendication 1 dont le capteur unitaire (figure 3) est constitué par un assemblage d'un capteur à semi-conducteur (1) réagissant à un rayonnement visible associé à un scintillateur (2) et enveloppé dans un isolant électrique. 3-Système selon la revendication 1 dont le capteur (figure 4) est constitué par un assemblage de deux capteurs (figure 3) placés dos à dos, la partie sensible de chaque capteur étant dirigée vers 1' extérieur, séparés par une paroi métallique (3) destinée à arrêter le rayonnement et amplifier la rétro-diffusion. 4-Système selon la revendication 1 dont le capteur (figure 5) est constitué par 1' assemblage d'un capteur (figure 3) recouvert sur chaque face d'une pellicule métallique (3) destinée à amplifier le phénomène de rétro-diffusion. 5- Système selon la revendication 1 dont le capteur (figure 6) est constitué par un semi-conducteur avec un dopage spécifique (par exemple: lithium) déclenchant une sensibilité aux rayons X. Ce capteur est recouvert sur chaque face d'une pellicule métallique (3) destinée à amplifier le phénomène de rétro-diffusion. 6-Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau métallique (3) est choisi parmi 1' aluminium, le plomb, le fer, 1' étain ou le cuivre. 7-Système selon la revendication 1 dont la connexion électrique (4) comprend les liaisons nécessaires au fonctionnement du capteur associé aux interfaces informatiques. La connexion électrique du capteur (figure 7) est placée sur 1' une de ses arêtes, et sort du capteur dans le même plan que le plan du capteur.