Cette thèse décrit la démarche engagée par le groupe de recherche imXgam du CPPM pour évaluer l'apport de la technologie à pixels hybrides en tomodensitométrie par rayons X en termes de contraste et de dose et pour explorer de nouvelles possibilités d'imagerie biomé-dicale à faible dose. La réalisation de ce projet a été entreprise en développant un dispositif de micro tomodensitométrie appelé PIXSCAN, qui nous a permis de caractériser un imageur à pixels hybrides issu de la technologie développée pour les détecteurs de vertex en physique des hautes énergies (expériences DELPHI et ATLAS) et de comparer leurs performances à celles d'un imageur standard à intégration de charges.
La première étape a consisté à étudier en détail le système d'imagerie en insistant sur les caractéristiques du détecteur XPAD3 et de la caméra DALSA XR-4 et leurs modes de fonc-tionnement (en particulier la calibration du détecteur XPAD3). Puis nous avons identi é les problèmes rencontrés avec les pixels du détecteur XPAD3 (seuils et non unicité de la réponse des pixels), qui nous ont imposé l'utilisation d'un ltre su samment épais (6 mm d'alumi-nium) pour obtenir une qualité d'image satisfaisante, et ceux liés au le domaine d'énergie de la caméra DALSA XR-4.
Pour pouvoir procéder à la reconstruction tomographique à partir des données acquises avec le détecteur XPAD3 et la caméra DALSA XR-4, une parfaite connaissance du système d'imagerie a été indispensable. Nous avons utilisé une méthode de calibration géométrique de l'appareil basée sur une minimisation de moindres carrés. Cette méthode est entièrement automatisée et permet d'obtenir les paramètres d'alignement du système en quelques mi-nutes avec une précision de l'ordre de 10 µm pour des pixels de 130 µm. Le fantôme de calibration, la calibration du détecteur XPAD3, la caractérisation géométrique du système d'imagerie, ainsi que la méthode d'alignement sont décrits dans le second chapitre de cette thèse. Le dispositif de micro-tomodensitométrie PIXSCAN II nous a permis de réaliser les premières images avec la nouvelle génération de caméra à pixels hybrides XPAD3, lesquelles se sont avérées satisfaisantes. L'acquisition des données, contrôlée par l'interface graphique (piXface) développée sous Qt4, permet le réglage des diérents paramètres de l'acquisition (temps d'exposition, pas de rotation, soumission automatique des jobs de reconstructions). La reconstruction tomographique des données XPAD3 et DALSA XR-4 ainsi acquises est réalisée après calibration géométrique de l'appareillage. Une implantation sur carte graphique de l'algorithme de reconstruction tomographique de Felkamp, Davis et Kress développée au sein de l'équipe imXgam a été utilisée.
La caractérisation des équipements de diagnostic médical à rayons X passe par une bonne connaissance des propriétés d'émission de la source, la qualité d'un faisceau étant dé nie par plusieurs paramètres. La détermination des e cacités de détection des détecteurs XPAD3 et DALSA XR-4 a nécessité de connaître les spectres d'émission des tubes à rayons X utilisés. Je les ai mesuré à l'intérieur du dispositif d'irradiation PIXSCAN II avec un spectromètre XR-100T de Amptek. Une correction des phénomènes d'échappement des photons de uores-cence a été appliquée aux spectres mesurés. Les résultats obtenus à l'issue de cette campagne de caractérisation sont jugés satisfaisants. Ils démontrent une assez bonne connaissance des faisceaux produits et valident les méthodes de mesures et de simulations employées. Dans cette partie, j'ai également dû étudier un halo produit par la source de rayons X Oxford Instruments découvert lors de la campagne de mesure, qui résulte probablement d'une uo-rescence dans la partie de cuivre entourant l'anode de tungstène du tube.
Dans la dernière partie de mon travail, je me suis intéressé à caractériser les performances du démonstrateur PIXSCAN. Pour cela, j'ai évalué les principaux paramètres que sont la dose absorbée par l'animal, le bruit, la résolution spatiale à haut contraste, la stabilité et la linéarité du détecteur, le contraste de l'image, l'uniformité de l'image et la détectabilité à bas contraste. L'évaluation des performances ainsi que la validation des résultats obtenus avec les données acquises avec le détecteur à pixels hybrides XPAD3 ont été comparées aux résultats obtenus avec la caméra CCD DALSA XR-4 similaire aux détecteurs utilisés dans la plupart des appareils de micro tomodensitométrie usuels. Le détecteur XPAD3 permet d'obtenir des images reconstruites d'une qualité satisfaisante et proche de celle des images de la caméra DALSA XR-4. La limite de détectabilité à bas contraste du détecteur XPAD3 est égale à 25 HU pour un diamètre de 4 mm alors qu'elle est de 40 HU avec la caméra DALSA XR-4 pour le même diamètre. La résolution spatiale du détecteur XPAD3 est meilleure que celle mesurée avec la caméra DALSA XR-4, ce fait pouvant résulter de la présence d'un conver-tisseur constitué d'une poudre de scintillateur Gadox placée devant la caméra CCD, alors que le détecteur XPAD3 procède par une détection directe des photons X dans les pixels de silicium. L'instabilité des seuils et la variabilité de la réponse des pixels du détecteur XPAD3 (due à l'e cacité du silicium qui chute fortement au-dessus de 25 keV) induit cependant une non uniformité et un bruit de l'image plus élevés comparés à ceux obtenus avec la caméra CCD. À faible dose (12 mGy) par contre, les images du détecteur XPAD3 sont de meilleure qualité que celles de la caméra CCD et c'est dans cette direction qu'il faudrait pousser plus avant cette étude.
Du point de vue de l'instrumentation, ce projet a prouvé le bon fonctionnement du dis-positif PIXSCAN II pour la souris. J'ai pu reproduire une qualité d'image semblable (Fig.
4.39(a) et Fig. 4.40(a)) à celle obtenue avec un détecteur à intégration de charges de type caméra CCD (Fig. 4.39(b) et Fig. 4.40(b)). Par la suite, pour améliorer les performances du détecteur XPAD3, il va falloir optimiser la stabilité des seuils et avoir des courbes de réponses des pixels en fonction de l'énergie assez homogènes en utilisant un capteur plus dense (le CdTe par exemple) dont l'e cacité avoisine 100% jusqu'à 50 keV pour une épais-seur de 1 mm. Une particularité des détecteurs à pixels hybrides comme la caméra XPAD3 est de disposer d'un seuil en énergie réglable qui peut être utilisé pour mettre en oeuvre une imagerie au K-edge aussi appelée tomographie couleur ou spectrale, ce qu'une caméra CCD
CONCLUSION ET PERSPECTIVES 125 ne permet pas de réaliser. C'est l'objectif que poursuivront les doctorants qui me succéderont sur ce dispositif d'expérimentation tomographique.
(a) (b)
Fig. 4.39 Radiographie d'une souris après injection de l'iode mesurée avec (a) le détecteur XPAD3 et (b) la caméra DALSA XR-4. Les reins sont clairement identi ables. Con guration d du Tableau 4.1.
(a)
(b)
Fig. 4.40 Coupes tomographiques d'une souris reconstruites à partir des données acquises avec (a) le détecteur XPAD3 et (b) la caméra CCD après injection de l'iode. Con guration d du Tableau 4.1.