Les choix instrumentaux sont relativement différents pour MoniPET, en raison du choix de la division de lumière et des SiPM. Les matrices de SiPM Hamamatsu sont arrangées en 4x4 SiPM de 3x3 mm2, séparés par 200 µm. Ainsi, les cristaux formant un module de MoniPET et leur arrangement doivent s’ajuster avec une matrice de SiPM. Un bloc de MoniPET est composé de 8 modules, eux-mêmes composés de 8 cristaux de 3x6.2x75 mm3 et 4 cristaux de 6.2x6.2x75 mm3, comme illustré sur la Figure IV.10. On
Figure IV.10 – Schéma vu de côté d’un bloc de MoniPET, formé de 8 modules eux-mêmes com-
posés de 8 cristaux de section 3×6.2 mm2 (en jaune) et 4 cristaux de section 6.2×6.2 mm2 (en rouge)
pourrait découper ce module en deux sous-modules : un par type de cristaux. Chacun de ces sous-modules est lu par une matrice de SiPM à chaque extrémité.
Au final, l’épaisseur totale de LYSO est de 24.4 mm, une longueur qui atténue environ 87 % du flux perpendiculaire de photons de 511 keV. Si l’on ajoute les espacements entre les cristaux, l’épaisseur totale est de 28.4 mm. Les cristaux de section plus petite sont placés du côté le plus proche du patient. Ces derniers offrent une meilleure précision sur la profondeur d’interaction. Étant donné qu’il y a plus d’événements dans la première partie, il est donc plus intéressant de placer les cristaux de petite section en première ligne. De plus, le taux de comptage risque d’être élevé dans les cristaux (à cause de leur grande
dimension), il peut donc être intéressant de diminuer ce taux de comptage (pour éviter le phénomène de pile-up ou de temps mort par exemple) avec des cristaux de section plus petite là où l’absorption est plus grande. En contrepartie, le nombre de voies augmente, et la sensibilité risque de diminuer par fractionnement du dépôt d’énergie dans plusieurs cristaux.
Dans un tel assemblage de cristaux, il est probable qu’il se produise des interactions multi-cristaux. Par exemple, un photon gamma qui interagit par effet Compton dans un cristal génère un photon diffusé qui interagit par effet photoélectrique dans un second cristal. C’est un phénomène qui sera étudié et quantifié dans ce chapitre.
Avant cela, nous allons dans un premier temps vérifier la reproductibilité des perfor- mances obtenues sur un barreau simple pour la configuration en module. C’est une étape importante, qui montre la faisabilité de la division de lumière dans un environnement plus réaliste. Définissons dès à présent le dispositif expérimental.
3.2 Dispositif expérimental
Pour simplifier la mesure et la réalisation de coïncidence, nous avons limité le dis- positif à l’exploitation d’une seule carte EASIROC, soit 32 voies disponibles. Désirant par la suite avoir deux modules en coïncidence, le module étudié expérimentalement ne sera pas composé de 4+8 cristaux de 6.2x6.2x75 mm3 et 3x6.2x75 mm3 (comme montré Figure IV.10), mais uniquement de 4+4 cristaux de 6.2x6.2x75 mm3. Ainsi, cela néces- site au total 16 voies pour un module, soit 32 voies pour deux modules en coïncidence (configuration dans laquelle une image sera réalisée dans la partie D). Pour cette étape
Figure IV.11 – Schéma vu de côté d’un module étudié, formé de 8 cristaux de 6.2×6.2×75,mm3, puis lu par 2 matrices de 16 SiPMs Hamamatsu à chaque extrémité
de caractérisation, le dispositif expérimental est instrumentalement proche de celui utilisé pour un cristal unique, comme le montre la Figure IV.11. Les cristaux scintillateurs de LYSO ainsi que les SiPM (Hamamatsu S11828-3344M) ont été conservés. La graisse utili- sée (Saint-Gobain BC-420), ainsi que le système de déclenchement externe sont également les mêmes que précédemment. Pour rappel, ce dernier est composé d’un collimateur en
tungstène avec un trou de 2 mm de diamètre, qui collimate une source de 22Na, avec en coïncidence un cristal de NaI couplé à un SiPM. Le tout placé sur une platine 3 axes motorisée et contrôlée par ordinateur, afin d’ajuster la position de la source et d’effectuer des acquisitions le long du cristal automatiquement.
3.2.1 Enrobage des cristaux
En revanche, sur d’autres aspects, des adaptations ont induit des différences notables. Un unique revêtement est étudié : 150 µm de teflon, fixé par l’espace disponible entre deux SiPM d’une matrice (200 µm). En pratique, nous avons donc recouvert chaque cristal individuel d’une unique couche de teflon. Cette épaisseur est obtenue en juxtaposant deux cristaux recouverts chacun de 75 µm de teflon, soit 150 µm entre les cristaux. Puis
Figure IV.12 – À gauche : photo d’un assemblage de 4 cristaux de LYSO de 6.2×6.2×75 mm3; à droite : schéma avec numérotation du module étudié vu de côté
une fois les 4 cristaux assemblés, nous avons recouvert le module complet d’une couche supplémentaire, comme on peut le voir sur la photo de la Figure IV.12. Ainsi, chaque face de chaque cristal est recouverte d’une épaisseur de 2 couches de teflon, soit environ 150 µm.
3.2.2 Mise en œuvre des SiPM
Pour minimiser le nombre de voies, la lecture des SiPM est mise en parallèle par 4 au niveau du PCB, afin de n’avoir que 2 voies de lecture par cristal. On parle alors d’une voie de lecture pour simplifier. Cette simplification est opérée en contrepartie d’une perte en terme d’homogénéité de la réponse en lumière. En effet, la tension d’alimentation des 4 SiPM en parallèle ne peut plus être ajustée individuellement, mais uniquement par ensemble de 4 SiPM. En pratique, les SiPM d’une même matrice ont des tensions d’avalanche très proches, les effets seront donc limités. Comme précédemment, les tensions d’alimentation des SiPM ont été ajustées en lumière, afin d’avoir une réponse uniforme de tous les photodétecteurs. Lors des acquisitions, comme auparavant, la réponse des cristaux a été caractérisée selon leur longueur, par pas de 5 mm. En revanche, le collimateur étant de diamètre 2 mm, il est difficile d’irradier les deux rangées de cristaux en une seule acquisition. Nous avons donc effectué deux passages : un par rangée.
3.2.3 Lecture et traitement des événements
En ce qui concerne les coïncidences, compte tenu de la nouvelle géométrie le ET de toutes les voies, sera remplacé par un OU des 8 voies de gauche, ainsi qu’un OU des 8 voies de droite. Enfin, un ET de ces deux OU, ensemble avec le cristal de NaI, déclenche une ac- quisition. Ce qui signifie que dès qu’il y a une interaction (avec absorption de suffisamment
d’énergie) dans un cristal de LYSO ainsi que dans le NaI, il y aura déclenchement. Les événements multi-cristaux seront ainsi également acquis, ce qui permettra par la suite de s’intéresser au traitement des événements multi-cristaux dont la récupération conditionne une meilleure sensibilité.
Lors du traitement des données après acquisition, chaque voie de lecture est associée à un cristal. Ainsi, les 8 cristaux (numérotés 0 à 7 sur la Figure IV.12 à droite) vont être caractérisés, en termes de réponse en énergie et de réponse spatiale. On peut vite pointer la limite d’une telle approche de couplage : un ensemble de quatre SiPM n’est pas isolé optiquement d’un cristal à son voisin. Donc il est probable que des photons de scintillation provenant d’un cristal soient détectés par un SiPM voisin. Néanmoins, c’est cette approche qui a été choisie pour la suite, et les performances associées sont présentées dans la section suivante.