Brevet FR2908283A1 — publié le 20080516

La présente invention concerne le domaine technique des sondes endocavitaires permettant la détection de rayonnements gamma et des dispositifs endoscopiques ou chirurgicaux. En médecine nucléaire, la détection de cancer par injection de produits pharmaceutiques radioactifs qui se localisent préférentiellement dans les tumeurs est une technique largement banalisée. La localisation et la forme de la tumeur peuvent ainsi être imagées par des gamma camera externes, à tomographie d'émission monophotonique (SPECT) et de plus en plus du type TEP ( tomographie à émission de positons ), en administrant par exemple des radioisotopes de type : 1311, 198Au, 99Tc ou 1$F aux patients. Cependant, la sensibilité des systèmes d'imagerie existante n'est pas toujours satisfaisante. De plus, les doses admissibles et les spécificités de marquage des produits radiopharmaceutiques utilisés sont des paramètres limitatifs, de sorte qu'il est difficile en pratique d'atteindre des résolutions inférieures à quelques millimètres. Or, la détection de tumeurs les plus petites possibles est primordiale car une détection précoce de celles ci permet au plus tôt de prendre les mesures de traitement nécessaire et améliore de ce fait le pronostic des patients. Par ailleurs, dans le cadre du suivi régulier de patients à risque, des diagnostics de dépistage sont souvent réalisés par endoscopie, généralement par simple observation optique. Ces méthodes d'identifications restent souvent insuffisantes dans le cas, par exemple, de tumeurs superficielles ou d'une extension débutante des tumeurs à des ganglions lymphatiques. A la fin des années 70, des détecteurs de radiations de faibles tailles, insérables directement dans le corps à proximité des tumeurs ont été développés pour des bronchoscopies ou opérations chirurgicales (H. Barber et al., miniature radiation detectors for surgical tumor staging 32 ACEMB, Denver, Colo., 6-10 oct. 1979) ; H. Barber et al., small radiation detectors for bronchoscopic tumor localization , IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-27, N 1, feb. 1980). De tels détecteurs ont l'avantage de s'approcher de la source d'émission et d'augmenter ainsi considérablement le nombre de photons détectés. Un désavantage de ces détecteurs est cependant apparu très rapidement : leur taille 2908283 2 et leur forte sensibilité au fond continu radioactif gêne l'interprétation du signal recueilli. De plus, toute variation locale de la radioactivité de fond qui correspond aux zones non marquées rend le problème encore plus délicat. Plusieurs propositions ont alors été apportées pour tenter de diminuer ces 5 effets néfastes liés au bruit de fond et d'augmenter la sensibilité au niveau du rapport signal sur bruit. Le brevet US 4,595,014 propose d'ajouter à une sonde de détection de la radioactivité, insérable dans le corps humain, un dispositif permettant d'identifier les rayonnements ionisants qui entrent selon une direction privilégiée au sein du 10 cristal scintillateur. Dans ces types de sondes, il est disposé, autour du cristal, un élément collimateur de très forte densité, comme le tungstène, avec des géométries et assemblages souvent complexes. Cependant, le collimateur pour permettre un masquage suffisant de certains rayons gammas, doit avoir une certaine épaisseur et donc occuper un volume encore plus important. Cette 15 épaisseur doit être encore plus importante pour des rayonnements plus énergétiques. C'est pourquoi la collimation des cristaux scintillants ne paraît pas encore une solution suffisante, notamment dans les utilisations pour la détection de gamma fortement énergétique. Pour résoudre ce problème, il a été proposé d'utiliser plusieurs cristaux 20 scintillateurs différents couplés chacun à une fibre optique. Le brevet US 5,331,961 propose d'utiliser une sonde endoscopique utilisant au moins deux scintillateurs en tandem, disposés de façon spécifique l'un par rapport à l'autre et couplés à deux fibres optiques. La configuration proposée, permet une meilleure directionnalité mais nécessite toujours au moins l'utilisation de deux cristaux, de 25 deux fibres optiques, et réclame également deux photodétecteurs qui sont, pour obtenir une bonne efficacité, souvent d'un coût élevé. De plus, la surface utile par cristal (et donc le signal lumineux) arrivant à chaque photodétecteur est divisée par deux. Par conséquent, ce qui est gagné d'un côté en spécificité, notamment pour identifier la direction des rayonnements émis, est perdu partiellement au 30 niveau signal sur bruit recueilli par chaque détecteur. De plus, ce dispositif prévoit toujours d'associer aux moins deux cristaux scintillateurs disposés de façon spécifiques l'un par rapport à l'autre et souvent sur une même section frontale, ce 2908283 3 qui fait une section minimale importante et limite l'utilisation dans certaines applications avec notamment l'accès à des cavités de faibles sections. L'utilisation de sonde de détection de la radioactivité gamma, insérable dans le corps humain ou animal, reste encore cependant très marginale et les résultats 5 en terme de performance de localisation et rapport signal sur bruit semblent encore insuffisants avec les techniques développées, centrées sur la localisation directionnelle de la source d'émission. De plus, la complexité des systèmes proposés dans l'art antérieur les rend particulièrement onéreux et empêche d'en faire un usage unique. La réutilisation 10 de telles sondes rend, de ce fait, obligatoire le nettoyage et l'aseptisation des sondes utilisées entre chaque utilisation. Un des objectifs de l'invention est donc de proposer une nouvelle sonde pour la détection de rayonnements gamma, qui soit insérable dans une cavité tubulaire d'un être vivant et qui offre une grande sensibilité de détection et permette une 15 localisation précise de la zone radioactive, tout en présentant un faible coût de revient, autorisant un usage unique. Dans ce contexte, l'invention a pour objet une sonde de diagnostic comportant une partie insérable dans une cavité tubulaire qui comprend au moins : 20 - un cristal scintillateur qui émet de la lumière en réponse à des rayonnements ionisants, de préférence à des rayonnements gamma, et - une fibre optique assurant la collecte d'au moins une partie de la lumière émise par le cristal scintillateur, et sa transmission vers un convertisseur photoélectrique, 25 caractérisée en ce que le cristal présente un volume inférieur à 30 mm3 et que la section droite transversale maximale de la sonde est inférieure à 10 mm2. La description qui va suivre, en référence aux dessins annexés, permet de mieux comprendre l'invention. La Figure 1 illustre un dispositif comportant une sonde selon l'invention. 30 La Figure 2 illustre la partie insérable d'un dispositif endoscopique intégrant, en plus de la sonde selon l'invention, des moyens optiques de visualisation de la cavité dans lequel elle est insérée. 2908283 4 La Figure 3 montre l'évolution obtenue à l'exemple 1 du nombre de coups détectés, en fonction de la distance en mm séparant la sonde de la source. La Figure 4 montre l'évolution obtenue à l'exemple 2 du nombre de coups détectés, en fonction de la distance en mm séparant la sonde de la source. 5 La Figure 5 est une représentation de profil de la sonde utilisée à l'exemple 3, la Figure 6 illustre schématiquement le dispositif mis en oeuvre et la Figure 7 montre l'évolution obtenue à l'exemple 3 du nombre de coups détectés, en fonction de la distance en mm séparant la sonde de la source. La Figure 8 illustre schématiquement le dispositif mis en oeuvre à l'exemple 10 4 et la Figure 9 montre l'évolution obtenue à l'exemple 4 du nombre de coups détectés, en fonction du temps. La Figure 10 montre l'évolution obtenue à l'exemple 5 du nombre de coups détectés, avec et sans collimateur, en fonction de la distance en mm séparant la sonde de la source. 15 La Figure 11 montre l'évolution obtenue à l'exemple 6 du nombre de coups détectés, avec un départ de la sonde au contact ou à 1 cm de la source, en fonction de la distance en mm séparant la sonde de la source. La Figure 12 présente les signaux obtenus à l'exemple 7 suivant les différents passages à différentes vitesses de circulation Cl à C9. 20 Du fait de la petite taille du cristal utilisé, la quantité de lumière captée par la fibre est toujours sensiblement la même, quelque soit l'endroit où le rayonnement ionisant arrive sur le cristal. La très faible dimension et la haute efficacité du cristal offre une grande sensibilité de détection et un rapport optimal signal/bruit pour la détection de lésions à un stade très précoce. En particulier, la sonde selon 25 l'invention est de forme et de taille adaptée pour être insérée dans une cavité tubulaire d'un être vivant, et en particulier de l'homme. La présente invention propose, de ce fait, un nouveau type de sonde miniaturisée, de type endo-cavitaire qui constitue un outil d'aide à la détection de lésions spécifiques particulièrement performant. Une telle sonde peut notamment 30 être utilisée en tant qu'instrument propre ou accessoire insérable dans un système endo-cavitaire existant lors d'actes diagnostiques d'endoscopie ou lors d'actes de chirurgie par vidéoscopie. La sonde selon l'invention permet d'obtenir une information précise sur la radioactivité locale à l'intérieur d'un être vivant. 2908283 5 Par rapport aux systèmes scintillants existants utilisables in vivo, il est proposé de gagner au niveau de la qualité de détection par une approche originale qui ne cherche pas à identifier la direction de provenance du gamma interceptée, ce qui était réalisé, précédemment, soit par collimation soit par utilisation de deux 5 cristaux différents et recombinaison du signal, mais la distance de la zone d'émission. En effet, les inventeurs ont imaginé d'utiliser le fait que, pour une zone de radioactivité donnée, le flux de gamma mesurable évolue en fonction de l'angle solide et diminue ainsi en fonction de l'inverse de la distance au carré par rapport à la zone d'émission. Aussi, en mesurant la radioactivité locale, on dispose d'un 10 moyen très efficace de localisation par simple étude de l'évolution du nombre de paquets de photons émis par le cristal scintillant en relation directe avec le flux de gamma mesurable provenant de la zone radioactive. Dans les anciens dispositifs, il était utilisé, à l'inverse, des cristaux scintillateurs importants, qui présentaient d'ailleurs souvent au moins un axe de 15 grande longueur dans la direction de la sonde, afin d'obtenir une probabilité d'interaction plus importante. Par conséquent, les rayonnements ionisants reçus à une extrémité du cristal, était en probabilité très différents des rayonnements ionisants reçus à l'autre extrémité. Dans le cadre de l'invention, il est proposé d'utiliser un très petit cristal 20 scintillateur de volume inférieur à 30 mm3, qui se conduit, en fait comme un détecteur cristallin quasi ponctuel, ce qui permet de gagner considérablement au niveau de la sensibilité et de la précision sur la localisation de la zone d'émission. Selon un mode préféré, le cristal a un volume inférieur à 10 mm3, préférentiellement inférieur à 5 mm3 et de préférence inférieur à 1 mm3. De 25 préférence, dans la sonde selon l'invention, le cristal n'est pas associé à un moyen quelconque de collimation Néanmoins, dans certains cas, notamment lorsque la sonde est utilisée pour détecter des rayonnements faiblement énergétiques, le cristal pourra être équipé d'un collimateur. De façon préférée, le cristal utilisé présente une longueur maximale de 5 30 mm, préférentiellement de 1 mm. De façon avantageuse, le cristal présente une section transversale par rapport à l'axe longitudinal de la fibre optique inférieure à 8 mm2 et de préférence inférieure à 1 mm2. Le cristal présente avantageusement une forme cylindrique, préférentiellement avec une section de diamètre inférieur à 2908283 6 5 mm et de préférence inférieur à 2 mm. Il est particulièrement avantageux de choisir un cristal dont la forme est telle que le rapport de la plus grande dimension du cristal passant par son centre sur la plus petite dimension du cristal passant par son centre soit inférieur ou égal à 3, de préférence inférieur ou égal à 1,5. 5 En fonction de la détection souhaitée, on choisira de façon spécifique, la géométrie, la composition et les caractéristiques spectrales et temporelles du ou des cristaux positionnés à l'extrémité de la sonde. Le but de la sonde selon l'invention est de permettre de localiser précisément une petite zone radioactive. Pour cela, un cristal scintillant translucide est utilisé : 10 ce cristal va absorber les rayonnements ionisants, et en particulier gamma et bêta, et émettre en réponse des photons. Par cristal, on entend un cristal monocristallin ou polycristallin, par exemple sous la forme d'une céramique à gros grains. Un cristal, en fonction de sa géométrie et de composition notamment va présenter une sensibilité donnée, c'est-à-dire qu'il va permettre la détection d'une activité 15 donnée, située à une distance plus ou moins importante de la sonde. La sonde doit permettre de localiser la zone radioactive. Le pouvoir d'absorption du rayonnement par le cristal est lié à la densité de ce dernier. Dans le cadre de l'invention, on pourra utiliser un scintillateur rapide, de 20 préférence choisi parmi les familles de LSO (Lu2SiO5) et notamment LSO : Ce (Lu2SiO5 dopé Ce3+), LYSO (Lu2(l_x)Y2XSiO5), (qui correspond au LSO dans lequel une faible quantité de lutétium est remplacé par de l'yttrium) et également GSO ou GYSO (qui correspondent au LSO et LYSO dans lequel le lutétium est remplacé par du gadolinium). On peut également utiliser un cristal scintillateur des familles 25 LuAG (Lu2AI5O12), LaBr3, LaCI3, YAG (Y2AI5O12), YAP (YAIO3) tous dopés par des ions luminescents (de préférence le Ce3+, mais aussi Pr3+, Yb3+, Eu3+, Tb3+ ou autres) ou du BGO (Bi4Ge3O12) non dopé. Selon un autre mode de réalisation, on pourra utiliser un scintillateur présentant une densité supérieure à 7, de préférence choisi parmi les familles 30 LuAP dopé Ce3+, LuYAP dopé Ce3+, CdWO4, PbWO4 ou encore un scintillateur monocristallin ou polycristallin présentant une densité supérieure à 7, de préférence une densité supérieure à 9, avantageusement choisi parmi les familles 2908283 7 de sesquioxydes Lu2O3, Gd2O3 dopés par des ions luminescents, ou tungstates ou HfO2. Ces cristaux, pour être scintillateurs, sont dopés avec un lanthanide ou métaux de transition, de préférence le cérium à raison le plus souvent de moins 5 de 5 h, de préférence moins de 1% atomique. Dans le cas des composés CdWO4 et PbWO4, l'ion luminescent n'est pas un dopant mais directement un ion du cristal. De façon avantageuse, le ou les cristaux scintillateurs présenteront un temps de déclin inférieur à 100 ns. Il est également avantageux d'utiliser un cristal 10 scintillateur à haut rendement lumineux, de préférence supérieur à 10000 photons/MeV. Il est également possible que la sonde combine l'utilisation de plusieurs cristaux à propriétés de luminescence différentes pour permettre éventuellement de sonder des zones à des distances différentes de la sonde. Dans ce cas un 15 matériau scintillateur à déclin plus lent peut être envisagé. Par ailleurs, les zones marquées à détecter présentent généralement une radioactivité bêta peu pénétrante ( REVENDICATIONS 1 - Sonde miniaturisée de détection de rayonnements gamma comportant une partie insérable dans une cavité tubulaire qui comprend au moins : - un cristal scintillateur qui émet de la lumière en réponse à des rayonnements ionisants, de préférence à des rayonnements gamma, et une fibre optique assurant la collecte d'au moins une partie de la lumière émise par le matériau scintillateur, et sa transmission vers un convertisseur photoélectrique, caractérisée en ce que le cristal présente un volume inférieur à 30 mm3 et que la section droite transversale maximale de la sonde est inférieure à 10 mm2. 2 - Sonde selon la revendication 1 caractérisée en ce que le cristal présente une longueur maximale de 5 mm, de préférence de Imm. 3 - Sonde selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la partie insérable présente une section droite transversale maximale comprise entre 0,1 et 10 mm2 et de préférence comprise entre 0,2 et 5 mm2. 4 - Sonde selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le cristal émette plus de 10 000 Photons/Mev. 5 - Sonde selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le cristal présente un temps de déclin inférieur à 100 ns. 6 - Sonde selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le cristal est un scintillateur rapide, de préférence choisi parmi les familles de LSO, LYSO, GSO, GYSO, LuAG, LaBr3, LaCI3, YAG, YAP dopé par des ions luminescents de préférence le cérium trivalent. 7 - Sonde selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que le cristal est un scintillateur présentant une densité supérieure à 7, de préférence choisi parmi les familles LuAP, LuYAP, CdW04, PbWO4 (dopés ou non par de ions luminescents). 8 - Sonde selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que le cristal est composé d'un scintillateur monocristallin ou polycristallin présentant une densité supérieure à 7, de préférence une densité supérieure à 9, avantageusement choisi parmi les familles de sesquioxydes Lu203, Gd203, ou tungstates ou hafnate comme par exemple HfO2. 2908283 19 9 - Sonde selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le cristal a une forme cylindrique, avec une section de diamètre inférieure à 5 mm et de préférence inférieure à 2 mm. 10 - Sonde selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que 5 le cristal a un volume inférieur à 5 mm3 et de préférence inférieur à 1 mm3. 11 - Sonde selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la fibre optique est connectée à une face du cristal selon une section de connexion et le rapport entre la surface du cristal sur laquelle la fibre est connectée et la surface de la section de connexion est inférieure ou égale à 5 et de préférence 10 proche de 1. 12 - Sonde selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le cristal est revêtu sur une face par une couche d'un matériau scintillateur qui émet de la lumière en réponse à des rayonnements bêta dans un domaine spectral différent du cristal et que présente, de préférence une épaisseur 15 inférieure à 100 microns. 13 - Sonde selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'il comprend au moins deux cristaux scintillateurs, le volume total de l'ensemble des cristaux scintillateurs utilisés restant inférieur à 30 mm3. 14 - Sonde selon la revendication 13 caractérisée en ce que les cristaux utilisés 20 présentent des propriétés de luminescence spectrales ou temporelles différentes. 15 - Sonde selon l'une des revendications 1 à 14 caractérisée en ce que le couplage entre la fibre optique et le cristal assure la collecte de plus de 5% des photons de scintillation émis par évènement, et de préférence de plus de 10%. 16 - Sonde selon l'une des revendications 1 à 15 caractérisée en ce qu'au 25 moins deux fibres optiques sont connectées à une des faces du cristal et sont, par exemple, reliées chacune à un convertisseur photoélectrique différent. 17 - Sonde selon l'une des revendications 1 à 16 caractérisée en ce que la totalité de la partie insérable puisse être courbée avec un rayon de courbure inférieur à 5 cm et de préférence inférieur à 2 cm. 30 18 - Sonde selon l'une des revendications 1 à 17 caractérisée en ce que plusieurs fibres optiques sont couplées au même cristal et que la partie insérable peut être courbée avec un rayon de courbure inférieur à 1,5 cm. 2908283 20 19 - Sonde selon l'une des revendications 1 à 18 caractérisée en ce qu'elle présente un embout de protection du cristal vis-à-vis de la lumière extérieure. 20 - Sonde selon l'une des revendications 1 à 19 caractérisée en ce que le cristal est recouvert en partie, par un revêtement réfléchissant une partie de la 5 lumière visible émise par l'interaction du rayonnement ionisant avec le cristal, afin d'augmenter la quantité de lumière collectée par la fibre optique. 21 - Dispositif comportant une sonde selon l'une des revendications 1 à 20 et un convertisseur photoélectrique auquel est relié le cristal par l'intermédiaire de la fibre optique qui assure la collecte et la transmission d'au moins une partie de la 10 lumière émise par le cristal scintillateur vers le convertisseur photoélectrique. 22 - Dispositif selon la revendication 21 caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de quantification des rayonnements gamma reçus par le cristal, par analyse des signaux électriques émis par le convertisseur photoélectrique. 23 - Dispositif selon la revendication 21 ou 22 caractérisé en ce qu'il comprend 15 en outre des moyens de comptage de la lumière transmise par la fibre optique. 24 - Dispositif selon l'une des revendications 21 à 23 caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens optiques de visualisation de la cavité, insérable dans cette dernière. 25 - Dispositif selon l'une des revendications 21 à 24 caractérisé en ce que les 20 moyens optiques de visualisation sont une ou plusieurs fibres optiques ou une caméra miniaturisée. 26 - Dispositif selon l'une des revendications 21 à 25 caractérisé en ce que les moyens optiques de visualisation et la sonde de détection de rayonnements gamma sont positionnés dans un tube de guidage éventuellement compartimenté. 25 27 - Utilisation d'une sonde selon l'une des revendications 1 à 20 ou d'un dispositif selon l'une des revendications 21 à 26 pour la détection de rayonnements gamma issus d'un des isotopes choisi parmi : 99Tc, 123I, '8F. 28 - Utilisation d'une sonde selon l'une des revendications 1 à 20 ou d'un dispositif selon l'une des revendications 21 à 26 pour la détection de 30 rayonnements ionisants de haute énergie, en particulier de rayonnements gamma d'énergie supérieure à 300 KeV. 2908283 21 29 - Dispositif médical ou de diagnostic caractérisé en ce qu'il comporte une sonde selon l'une des revendications 1 à 20 ou un dispositif selon l'une des revendications 21 à 26 choisi parmi : - les cathéters, et notamment les cathéters multicanaux 5 - les endoscopes et les endoscopes de forme adaptée au diagnostic en urologie, de forme adaptée au diagnostic en colonoscopie, de forme adaptée au diagnostic en gastro-entérologie, ou de forme adaptée au diagnostic en ORL, - les instruments de célioscopie, -les dispositifs utilisés pendant les actes de chirurgie par laparoscopie, les actes 10 de chirurgie en urologie, les actes de chirurgie en arthroscopie, ou les actes de chirurgie utilisant des optiques rigides, en particulier utilisant des tubes en acier inoxydable.