Brevet FR3009157A1 — publié le 20150130

PROCEDE DE DETERMINATION DE LA PROFONDEUR D'UNE INTERACTION DANS UN DETECTEUR DE RADIATION PIXELISE, DETECTEUR ET APPLICATION ASSOCIES DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] L'invention se rapporte à l'imagerie de sources de rayons gamma, plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de détermination de la profondeur d'une interaction dans un détecteur pixélisé de radiation gamma par scintillation ainsi que le détecteur pixélisé utilisant un effet temporel pour mesurer la profondeur d'une interaction et application dudit détecteur à l'imagerie PET ou TEP (tomographie par émission de positrons). [0002] La tomographie par émission de positrons (TEP ou PET) est une technique d'imagerie nucléaire utilisant des noyaux radioactifs. Ceux-ci décroissent en émettant un positron qui, en interagissant avec les noyaux voisins, produit deux photons gammas émis à 180Q. Un scanner PET conventionnel est constitué de modules de détection entourant le patient et orientés radialement vers le centre du système. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0003] Dans les détecteurs de rayons gamma par scintillation en général, il est préférable de connaître la profondeur de l'interaction vis-à-vis de la face d'entrée du rayonnement sur le cristal. C'est en particulier vrai, dans les détecteurs de type PET utilisant le temps de vol (TOF), où un anneau de cristaux à grand facteur de forme (pixels 4*4*30 mm) est organisé autour d'une source centrale. En effet, ne pas connaître le lieu d'interaction, en tête ou en pied de cristal, induit deux erreurs : - Parallaxe géométrique ; - Incertitude vis-à-vis du temps de vol exact du photon du fait de la propagation de la lumière dans le cristal à une vitesse inférieur à celle de la lumière dans le vide (c/n).30 [0004] Plusieurs approches ont été étudiées afin d'ajouter la coordonnée radiale. Des détecteurs mesurant la profondeur d'interaction ont été proposés. Une alternative est l'utilisation de la géométrie axiale : les modules de détection sont alors orientés de façon axiale, parallèlement au patient. Cette géométrie permet une mesure de la profondeur d'interaction (plan transverse) ainsi que de la position axiale (plan axial) grâce au couplage de deux photo-détecteurs à chaque extrémité. [0005] L'article IEEE Trans on NucScience NS-41, pp 14411445(1994) W W Moses & al, décrit un procédé pour déterminer la profondeur de l'interaction dans un module PET. Le module détecteur est composé d'une matrice de cristal BGO de forme (3x3x30 mm) qui est couplée à une photodiode au silicium sur une face et, sur la face opposée, couplée à un tube photomultiplicateur. Les faces sont recouvertes d'un réflecteur, de sorte que l'amplitude du signal observé dans la photodiode et le tube photomultiplicateur dépend de la profondeur de l'interaction du photon (511 keV) dans le cristal de scintillateur. Le rapport de ces deux signaux peut être alors utilisé pour déterminer la profondeur de l'interaction d'un événement en fonction de chaque cas. L'article, High resolution TOF PET with DOI : a proof of principle : Cosentino & al, décrit une méthode de traitement des surfaces d'un scintillateur, comprenant des photodétecteurs appropriés, de l'électronique et des algorithmes spécifiques pour l'analyse des données brutes, afin d'obtenir un compromis optimal entre le détecteur, l'énergie, le temps et la résolution de profondeur de l'interaction. Chaque scintillateur aura, à ses extrémités, deux SIPMs couplés afin de collecter de la lumière de scintillation autant que possible et d'optimiser ainsi la résolution en énergie. Le rôle de chaque détecteur consiste à détecter les rayons gamma de 511 keV émis, en coïncidence avec l'un des détecteurs externes. [0006] Face au problème de la détermination de la profondeur de l'interaction (D01), plusieurs solutions ont été proposées : - Utiliser un empilement de cristaux de natures différentes (ex BGO/GSO), mais cette solution est très coûteuse et complexe et ne permet qu'une précision limitée. - Jouer sur le pouvoir réfléchissant des pixels, sur leur longueur via le polissage des réflecteurs. Mais cette solution est délicate à réaliser de manière industrielle et son décodage n'est pas absent d'ambiguïté. - Lire le pixel à ses deux extrémités, ce qui permet par ratio d'intensité lumineuse d'estimer la position de l'interaction. C'est la solution la plus viable. Elle a cependant plusieurs défauts : o Elle double le nombre de canaux électroniques nécessaires o Le traitement des mesures est complexe o Une couche de détecteurs est traversée par le rayonnement ce qui induit de la diffusion Compton o Cette double lecture dégrade la mesure de l'énergie de l'interaction [0007] Face à ce problème une solution nouvelle basée sur le fait qu'il est maintenant possible de mesurer très précisément ( B ou B -> C) B = 145 ps C = 60 ps Le contraste avec le pixel central est : A = - 45 ps 30 B = -35 ps [0045]L'invention concerne, en outre, l'application du détecteur de radiation ci-dessus dans une imagerie de type PET. Le procédé de détermination de la profondeur d'une interaction décrit ci-dessus, n'est pas exclusif du PET. Il 35 peut être utilisé hors du contexte d'anti-coïncidence pour mesurer la profondeur de l'interaction (D01) dans un réseau scintillant quelconque, à condition que l'émission de lumière soit rapide. Cependant, c'est dans la modalité PET que l'invention présente le maximum d'intérêt. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de la profondeur d'une interaction dans un détecteur pixélisé de radiation gamma comprenant les étapes suivantes : - détecter des premiers photons sur le détecteur ; - mesurer le temps d'arrivée (Tpc) desdits premiers photons sur le détecteur (10) pour un pixel central (12) ; ce temps est égal à Ti + Z / (c/n); où Ti est le temps d'interaction ; Z est la profondeur de l'interaction sur le détecteur et c/n correspond à la vitesse de propagation du rayonnement dans ledit pixel central ; mesurer le temps d'arrivée (Tpa) des premiers photons dans un pixel adjacent (13) audit pixel central; ce temps est environ égal à Ti + Z / (c/2n) ; où Ti est le temps d'interaction ; Z est la profondeur de l'interaction sur le détecteur et c/2n correspond à la vitesse de propagation du rayonnement dans ledit pixel adjacent au pixel central ; - comparer le temps (Tpa) avec le temps (Tpc) afin d'estimer la profondeur d'interaction (Z) du fait de la vitesse de propagation différente de la lumière dans un pixel adjacent au pixel central ; - intégrer le rayonnement émis sur l'ensemble de l'émission d'un cristal (10) du détecteur (10) afin de déterminer l'énergie de l'interaction ; - enregistrer l'intégrale de l'énergie émise par cette détection. 25 2. Détecteur de radiation gamma pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 comprenant une source de rayon gamma y, un cristal scintillateur (10) équipé d'au moins un photo-détecteurs (11) capable de détecter la lumière émise individuellement sur chacun des 30 pixels, ledit photo-détecteur étant couplé à un composant microélectronique de type ASIC, la lecture dudit au moins un photo- 30091 5 7 détecteurs (11) étant effectuée par ledit composant micro-électronique, caractérisé en ce que le scintillateur (10) est pixélisé, en ce que le composant micro-électronique est apte à mesurer avec une précision inférieure à 100 ps le temps d'arrivée des premiers photons sur chaque pixels et en ce que ledit composant micro-électronique est capable d'intégrer le rayonnement émis sur l'ensemble de l'émission du scintillateur en environ 500 ns afin de déterminer l'énergie de l'interaction. 3. Détecteur de radiation gamma selon la revendication 2 dans lequel le 10 composant microélectronique est apte à mesurer le temps d'arrivée (Tpc) des premiers photons sur un premier pixel central (12) et le temps d'arrivée (Tpa) des premiers photons sur un premier pixel adjacent (13) audit premier pixel central de telles sorte qu'une comparaison entre le temps (Tpc) et le temps (Tpa) permet d'estimer la profondeur d'interaction (Z), et d'intégrer ensuite 15 l'énergie émise. 4. Détecteur de radiation gamma selon la revendication 2 ou 3 dans lequel les faces des pixels constitutifs du scintillateur (10) sont diffusantes et les pixels sont séparés par un média diffusant semi-transparent. 20 5. Détecteur de radiation gamma selon l'une des revendications 2 à 4 où le détecteur est apte à mesurer un nombre de photons détecté sur la durée de propagation de la lumière sur la longueur de chaque pixel, soit sur les cent à deux cents premières picosecondes, ledit nombre de photons détectés dépendant de l'angle solide avec lequel est vue l'interaction à une énergie de photon donnée. 6. Détecteur de radiation selon la revendication 2 à 5 dans lequel le scintillateur émet l'essentiel de sa lumière en moins de 10030ns, et est de préférence de type halogénure de Lanthane, LaBr3 et/ou ses dérivés. 7. Détecteur de radiation selon l'une des revendications 2 à 5 dans lequel le scintillateur est de type Silicate de Lutétium, LSO, LYSO et/ou ses dérivés. 8. Procédé de calibrage temporel de plusieurs détecteurs de radiation gamma selon l'une des revendications 2 à 7 caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivante : - envoyer une impulsion de lumière laser pour illuminer lesdits détecteurs simultanément ; - mesurer le temps d'arrivée des photons 1, 2 et 3 pour tous les canaux ; - calibrer la réponse temporelle de chaque élément détecteur. 9. Application du détecteur de radiation selon l'une des revendications 2 à 7 dans une imagerie de type PET.