Brevet FR2925698A1 — publié le 20090626

L'invention concerne un dispositif de tomographie par émission de positons. L'invention concerne encore un procédé de détection et de localisation d'un traceur radioactif. La présente invention entre dans le domaine de l'imagerie médicale, elle concerne plus particulièrement le domaine de l'imagerie fonctionnelle radioisotopique utilisée en médecine nucléaire. Un dispositif de tomographie, aussi appelé tomographe, détecte des photons-gamma. Ceux-ci sont générés par la rencontre de positons émis par un traceur in vivo, tel que le fluor F18, avec des électrons pendant leur traversée de la matière. L'annihilation des deux particules, positon et électron produit de l'énergie, sous forme de deux photons-gamma émis colinéairement dans deux sens opposés. La détection simultanée de ces deux photons-gamma permet de fixer la ligne de réponse, en anglais � line of response � qu'on désignera ici par � LOR �, sur laquelle se trouve l'atome radioactif émetteur du positon. La détection des photons-gamma est assurée par des détecteurs composés chacun d'un cristal scintillateur qui émet de la lumière sous l'action du photon-gamma, couplé optiquement à un photodétecteur qui est classiquement un tube photomultiplicateur, éventuellement à mesure de position. Ces détecteurs sont disposés selon un anneau circulaire ou polygonal, à l'intérieur duquel est placé le corps ou l'organe à examiner. Chaque LOR étant révélatrice d'un atome radioactif placé sur sa trajectoire, l'intersection d'un grand nombre de ces LOR est révélatrice de la présence du traceur radioactif en quantité macroscopique. Ceci permet de construire l'image de la distribution volumique du radiotraceur dans l'organe étudié. Dans les appareils actuellement utilisés, la position de la LOR est entachée d'une erreur d'autant plus grande que la source est placée près du bord de la chambre détectrice. Ceci est dû au fait que l'épaisseur de cristal scintillateur présent à la périphérie de la chambre détectrice, est nécessairement assez importante, de l'ordre de 15 à 25 mm afin d'obtenir un pouvoir d'arrêt suffisant vis à vis des photons-gamma d'énergie 511 keV, émis par un objet à imager. Cette épaisseur peut être responsable d'une erreur importante dans la détermination de la LOR. Une solution pour remédier à ce problème, consiste à mesurer la profondeur d'interaction, c'est à dire la coordonnée radiale de la scintillation, par exemple en plaçant plusieurs cristaux scintillateurs indépendants selon l'épaisseur de la paroi de la chambre. Ceci est possible en utilisant des photodétecteurs état solide de très petite taille, soit une surface active de quelques millimètres carrés, et une épaisseur de l'ordre du millimètre, chaque cristal étant couplé optiquement à un photo détecteur état solide. L'invention a pour but de pallier les inconvénients de l'état de la technique en proposant un appareil de tomographie par émission de positons amélioré, notamment en ce qui concerne la résolution spatiale des images obtenues. A cet effet l'invention concerne un dispositif de tomographie par émission de positons, caractérisé par le fait qu'il comporte une chambre sensiblement annulaire s'étendant selon une direction donnée et tapissée à sa périphérie intérieure de barreaux récepteurs constitués de cristaux conçus aptes à convertir en lumière l'énergie des photons-gamma issus de l'annihilation de positons. Selon une caractéristique de l'invention, ledit barreau récepteur est un barreau de monocristal scintillateur de forme parallélépipédique ou prismatique comportant au moins une section trapézoïdale. Selon une caractéristique de l'invention, lesdits barreaux récepteurs sont chacun équipés, à chacune de ses extrémités selon ladite direction, d'au moins un photo-détecteur. Selon une autre caractéristique encore de l'invention, chacun desdits barreaux récepteurs comporte encore, échelonnés sur sa longueur, des photodétecteurs, associés à une chaîne de traitement apte à calculer le positionnement longitudinal précis, dans le barreau, de la scintillation produite au lieu d'impact d'un photon-gamma. L'invention concerne encore un procédé de détection de position d'un corps radioactif. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre des modes de réalisation non limitatifs de l'invention, en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 représente, de façon schématique et en coupe perpendiculairement à la direction D dans laquelle elle s'étend, une chambre annulaire équipée de barreaux récepteurs selon l'invention ; - la figure 2 représente, de façon schématique et en élévation, un barreau récepteur selon l'invention muni de ses photodétecteurs ; - la figure 3 représente, de façon schématisée et en perspective, un premier mode d'agencement des barreaux 20 récepteurs dans la chambre annulaire ; - la figure 4 représente, de façon schématisée et en perspective, un second mode d'agencement des barreaux récepteurs dans la chambre annulaire ; - la figure 5 représente, de façon schématisée et en 25 perspective, un troisième mode d'agencement des barreaux récepteurs dans la chambre annulaire ; - la figure 6 représente, de façon schématisée et en perspective, un quatrième mode d'agencement des barreaux récepteurs dans la chambre annulaire ; 30 - la figure 7 représente, de façon schématisée et en perspective, un cinquième mode d'agencement des barreaux récepteurs dans la chambre annulaire. Le dispositif 1 de tomographie selon l'invention comporte des photodétecteurs disposés, selon un anneau circulaire ou 35 polygonal, autour d'une chambre détectrice, à l'intérieur de laquelle est placé le corps ou l'organe à examiner. Cette chambre détectrice est choisie de préférence de forme annulaire: les photodétecteurs sont disposés sur les génératrices d'un boîtier 2, de préférence de forme cylindrique ou prismatique polygonale, de longueur courte par rapport à son diamètre. La mise en œuvre des simulations par la méthode de Monte Carlo met en évidence l'utilisation avantageuse d'un anneau polygonal, en particulier pour la mise en œuvre des algorithmes de reconstruction lors du traitement des informations. Ces photodétecteurs périphériques sont utilisés pour déterminer les points d'impact 3, 4, sur la périphérie de l'appareil, des photons-gamma émis lors de l'annihilation d'un positon, selon leur direction 5 nommée ligne de réponse ou LOR. Le corps 6, notamment radioactif, responsable de la scintillation à l'origine de l'émission d'un positon, est situé dans un plan passant par cette LOR. Le dispositif 1 de tomographie par émission de positons selon l'invention comporte une chambre sensiblement annulaire 8 s'étendant selon une direction D donnée, et de préférence de longueur selon cette direction D faible par rapport à ses autres dimensions. Cette chambre 8 est tapissée à sa périphérie intérieure de barreaux récepteurs 9. Les barreaux récepteurs 9 sont conçus aptes à recevoir des photons-gamma issus de l'annihilation de positons, émis par un corps 6, notamment radioactif, situé dans une zone d'observation, excité par une source radioactive. Ces barreaux récepteurs sont constitués de cristaux conçus aptes à convertir en lumière l'énergie des photons-gamma issus de l'annihilation de positons, lors d'impacts de positons avec des électrons. Les barreaux récepteurs 9 peuvent, notamment, être agencés de façon polygonale selon une conférence de l'anneau détecteur. Dans un premier mode de réalisation tel que visible sur la figure 3, les barreaux récepteurs 9 sont montés parallèlement à la direction D. Un second mode d'agencement des barreaux récepteurs visible sur la figure 4 est une variante de ce premier mode, avec une superposition radiale de barreaux récepteurs 9, 9R. Tel que visible sur la figure 5, dans un troisième mode les barreaux récepteurs 9 sont rangés radialement, en éventail, dans la chambre annulaire, dans des plans orthogonaux à la direction D. Plusieurs couches de barreaux se succèdent alors selon la direction D. Ce mode de réalisation permet de réaliser un anneau détecteur de la longueur désirée, par tranches juxtaposées. Un quatrième mode, visible sur la figure 6, est celui dans lequel les barreaux récepteurs 9 forment des polygones dans des plans orthogonaux à la direction D. Plusieurs couches de barreaux se succèdent alors selon la direction D. La figure 7 illustre un cinquième mode qui est une variante de ce quatrième mode, avec une superposition radiale 15 des barreaux récepteurs 9, 9R. Ces quatrième et cinquième modes permettent aussi de réaliser un anneau détecteur de la longueur désirée, par tranches juxtaposées. Le cinquième mode est tout particulièrement intéressant, car, de plus, il permet 20 l'empilage radial des barreaux. De façon avantageuse, chacun de ces barreaux récepteurs 9 est un barreau de monocristal scintillateur de forme parallélépipédique. Il peut également être sous la forme d'un prisme dont au moins une section est trapézoïdale. 25 Pour affiner la mesure, il est alors nécessaire de déterminer la profondeur de l'interaction due à l'impact du photon-gamma dans le cristal récepteur. Cette profondeur, ou � depth of interaction � en anglais sera ici dénommée � DOI � 7. Le cristal transforme les photons-gamma en photons lumineux. 30 On utilise couramment des tubes photomultiplicateurs. Toutefois leur encombrement conséquent ne permet pas l'empilement de plusieurs couches de cristaux. Le problème technique principal est donc la détermination précise de la DOI 7. En réduisant la taille des cristaux élémentaires, 35 généralement cubiques, par exemple à 3 mm x 3 m x 3 mm, on améliore la résolution spatiale des images obtenues. En particulier, la réduction de la taille des cristaux élémentaires permet de placer plusieurs détecteurs élémentaires selon le rayon de l'anneau détecteur 8 mais on augmente simultanément et très rapidement, en raison inverse du volume de ces cristaux élémentaires, le nombre de détecteurs élémentaires nécessaires, ce qui accroît la complexité et le coût du tomographe à émission de positons. Afin de limiter cette complexité et ce coût tout en conservant une très bonne résolution spatiale, il est proposé de remplacer plusieurs cristaux élémentaires par un barreau récepteur 9 de monocristal scintillateur de forme parallélépipédique, par exemple de dimensions 3 mm x 3 mm x 100 mm. Avantageusement, les barreaux récepteurs 9 sont traités ou/et recouverts d'un produit diffusant, de façon à rediffuser de la lumière produite par la scintillation à l'intérieur du barreau. Un tel traitement peut notamment consister en un dépôt métallique, de façon à obtenir une surface miroir. Il a donc été imaginé, selon l'invention, de constituer un 20 anneau 8 de barreaux récepteurs 9, comportant les cristaux, selon les génératrices de cet anneau 8. La mesure de la position précise de la scintillation produite par l'interaction du photon-gamma, selon l'axe longitudinal du cristal scintillateur, permet alors de 25 conserver une résolution spatiale optimale. Ces barreaux récepteurs 9 sont munis à chaque extrémité longitudinale 9A, 9B, d'au moins un photodétecteur 10A, 10B. Une interpolation d'intensité différentielle permet d'évaluer un domaine d'incertitude de la zone d'impact du photon-gamma, 30 sur la longueur de ce barreau récepteur 9. Toutefois, cette incertitude reste encore grande, de l'ordre de 10 mm, alors qu'il est nécessaire d'obtenir une précision de 2 à 3 mm ou moins. On notera que, au niveau d'une génératrice donnée, ces 35 barreaux 9 peuvent être empilés radialement, et peuvent être séparés par un simple isolant, même s'il reste envisageable de les séparer par des photo-détecteurs. Il convient, encore, de proposer une solution permettant de réduire la plage d'incertitude longitudinale de la zone d'impact sur le barreau. L'obtention d'une résolution spatiale optimale est réalisée par le fait que, selon l'invention, chacun de ces barreaux récepteurs 9 scintillateurs comporte, échelonnés sur sa longueur, plusieurs photodétecteurs 10C, 10D, etc..., de préférence état solide, soit en anglais solid state photomultiplier SSPM, de très petite taille, soit d'une surface active de quelques millimètres carrés, et d'une épaisseur de l'ordre du millimètre, associés à un système 20 de traitement de l'information apte à calculer le positionnement longitudinal précis, dans le barreau scintillateur, de la scintillation produite au lieu d'impact d'un photon-gamma. L'intérêt de ce dispositif est que la précision obtenue sur l'abscisse longitudinale est très bonne. Cette précision dépend du nombre de photodétecteurs 10C, 10D, etc... échelonnés sur la longueur du barreau récepteur 9. Le nombre de ces photo- détecteurs dépend des dimensions du barreau, et de la précision recherchée, selon l'application, et peut être déterminé de façon à obtenir le rapport complexité / précision optimal. On comprend que cette disposition est également applicable aux autres faces des barreaux récepteurs 9, et n'est limitée que par l'encombrement des photo-détecteurs. Il est ainsi possible de réaliser un positionnement dans l'espace extrêmement précis, pour toute application de positionnement. L'invention concerne encore un procédé de détection de position d'un corps 6, notamment radioactif, selon lequel : • on recueille lors de leur impact les photons-gamma issus de l'annihilation de positons, produite lors de la collision des positons issus de ce corps radioactif avec les électrons présents dans le voisinage immédiat de l'émission d'un positon, c'est- à-dire à une distance inférieure à 1 mm du lieu de cette émission, au niveau de barreaux récepteurs tapissant une chambre annulaire, selon un des cinq modes de réalisation décrits plus haut ; • on détermine les barreaux récepteurs recevant l'impact des photons-gamma ; • on détermine, sur la longueur de chaque barreau récepteur, la position d'impact par traitement des signaux de plusieurs photo-détecteurs échelonnés le long dudit barreau ; • on détermine la LOR sur laquelle se trouve ledit corps radioactif par jonction des positions d'impact ainsi déterminées sur deux barreaux récepteurs desdits photon-gamma. Selon une caractéristique de ce procédé, on effectue un traitement temporel de coïncidence pour la validation des signaux de réception des photons-gamma par lesdits deux barreaux récepteurs, on vérifie que ces derniers ont bien reçu des photons provenant du même événement, et on valide la mesure si l'écart de temps entre les instants de réception est inférieur ou égal à un seuil déterminé. Dans une application préférée, on choisit ce seuil de préférence inférieur à 1Ons, et notamment inférieur à 2ns. On peut encore utiliser le traitement temporel de coïncidence pour estimer, par interpolation différentielle, la 25 position du corps radioactif sur la LOR. Les barreaux récepteurs 9 disposés selon les génératrices de l'anneau 8 procurent de nombreux avantages : réduction du nombre de cristaux et du nombre de photo-détecteurs, fiabilité améliorée, simplification des circuits électroniques. 30 L'invention n'est pas limitée aux exemples illustrés et décrits précédemment qui peuvent présenter des variantes et modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif (1) de tomographie par émission de positons, caractérisé par le fait qu'il comporte une chambre (8) sensiblement annulaire s'étendant selon une direction donnée (D) tapissée à sa périphérie intérieure de barreaux récepteurs (9) constitués de cristaux conçus aptes à convertir en lumière l'énergie des photons-gamma issus de l'annihilation de positons. 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite chambre (8) est cylindrique. 3. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite chambre (8) est prismatique polygonale. 4. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ladite chambre s'étend selon une longueur selon ladite direction D, qui est faible par rapport à ses autres dimensions. 5. Dispositif (1) de tomographie par émission de positons, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit barreau récepteur (9) est un barreau de monocristal scintillateur de forme parallélépipédique ou prismatique comportant au moins une section trapézoïdale. 6. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit barreau récepteur (9) est muni à chaque extrémité longitudinale (9A, 9B), d'au moins un photodétecteur (10A, 10B). 7. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que chacun desdits barreaux récepteurs (9) comporte, échelonnés sur sa longueur, des photodétecteurs (10C, 10D), de très petite taille, notamment de type photodétecteur état solide, soit en anglais solid state photomultiplier SSPM, associés à une chaîne de traitement apte à calculer le positionnement longitudinal précis, dans le barreau, de la scintillation produite au lieu d'impact d'un photon-gamma. 8. Dispositif (1) selon l'une des revendications 9précédentes, caractérisé par le fait que lesdits barreaux récepteurs (9) sont montés parallèlement à ladite direction (D). 9. Dispositif (1) selon la revendication précédente, 5 caractérisé par le fait que lesdits barreaux récepteurs (9) sont superposés radialement dans ladite chambre (8). 10. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que lesdits barreaux récepteurs (9) sont rangés radialement, en éventail, dans ladite chambre (8) 10 annulaire, dans des plans orthogonaux à ladite direction (D). 11. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que lesdits barreaux récepteurs (9) forment des polygones dans des plans orthogonaux à ladite direction (D). 15 12. Dispositif (1) selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que lesdits barreaux récepteurs 9 sont superposés radialement dans ladite chambre (8). 13. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits barreaux 20 récepteurs (9) sont traités ou/et recouverts d'un produit diffusant, de façon à rediffuser de la lumière à l'intérieur du barreau, ou encore recouverts d'un dépôt métallique de façon à obtenir une surface miroir. 14. Dispositif (1) selon l'une des revendications 25 précédentes, caractérisé par le fait que lesdits photodétecteurs sont de type état solide soit en anglais solid state photomultiplier SSPM. 15. Procédé de détection de position d'un corps (6), notamment radioactif, caractérisé par le fait qu'on recueille 30 lors de leur impact les photons-gamma issus de l'annihilation de positons issus de ce corps radioactif dans le voisinage immédiat de l'émission d'un positon, au niveau de barreaux récepteurs tapissant une chambre annulaire, qu'on détermine les barreaux récepteurs recevant l'impact des photons-gamma, qu'on 35 détermine, sur la longueur de chaque barreau récepteur, la position d'impact par traitement des signaux de plusieurs 2925698 il photo-détecteurs échelonnés le long dudit barreau, et qu'on détermine la LOR sur laquelle se trouve ledit corps radioactif par jonction des positions d'impact ainsi déterminées sur deux barreaux récepteurs desdits photon-gamma. 16. Procédé de détection selon la revendication précédente, caractérisé par le fait qu'on effectue un traitement temporel de coïncidence pour la validation des signaux de réception des photons-gamma par lesdits deux barreaux récepteurs, qu'on vérifie que ces derniers ont bien reçu des photons provenant du même événement, et qu'on valide la mesure si l'écart de temps entre les instants de réception est inférieur ou égal à un seuil déterminé. 17. Procédé de détection selon la revendication précédente, caractérisé par le fait qu'on choisit ledit seuil 15 inférieur à 10ns, et notamment inférieur à 2ns. 18. Procédé de détection selon la revendication 16 ou 17, caractérisé par le fait qu'on utilise ledit traitement temporel de coïncidence pour estimer, par interpolation différentielle, la position dudit corps radioactif sur ladite LOR. 20