Détection des photons d’annihilation

e

+

γ

1

γ

2 hit pulse tube photomultipl icateur photon incident photocathode anode dynode

γ

e-

cristal scintil lateur

FIGURE1.11 – La détection des photons d’annihilation repose sur deux étapes, la conversion des photons d’an-

nihilation en photon optique par les cristaux scintillateurs et la conversion des photons optiques en signal électrique par les TPM ou SiPM.

Le détecteur prend la forme d’un cylindre placé autour du patient afin de détecter les photons γ issus de l’annihilation des positons dans le corps du patient. Cet anneau, représenté dans la fi- gure1.11, est composé de deux couches. La première est formée de blocs de cristaux scintillateurs convertissant les photons d’annihilation en photons optiques ou ultraviolets par fluorescence. Les cristaux communément utilisés sont inorganiques, par exemple le LuSiO5(LSO) et le Gd2SiO5(GSO).

Dans un solide, les électrons ne peuvent avoir des énergies que dans des intervalles spécifiques que l’on appelle des bandes. La bande de valence est celle située juste en dessous du niveau de Fermi, qui est l’énergie maximale des électrons lorsque le solide est à 0 kelvin. La bande de conduction est celle qui est juste au-dessus du niveau de Fermi. La conversion d’un photonγ par les cristaux repose sur l’excitation d’un électron de la bande de valence, par effet Compton ou photoélectrique, qui se voit transférer vers la bande de conduction en laissant un trou dans la bande de valence. Si l’électron est transféré dans la bande de conduction avec peu d’énergie, il va former une pseudo-particule qu’on appelle un exciton. Cet exciton est composé d’une paire électron-trou faiblement liée, qui peut errer dans le réseau cristallin jusqu’à être capturé par un centre d’impureté. Ce dernier va se désexciter rapidement en émettant de la lumière de scintillation. C’est la composante rapide de la scintillation. Pour les électrons émis dans la bande de valence avec plus d’énergie, les électrons et les trous vont

être capturés par des centres d’impuretés et exciter des états métastables inaccessibles aux excitons. La désexcitation retardée de ces états métastables entraîne aussi l’émission d’un rayonnement de scintillation. C’est une composante lente de la scintillation.

Les photons de scintillation ainsi générés se propagent jusqu’à la seconde couche du détecteur, composée de tubes photomultiplicateurs (TPM) ou photomultiplicateurs en silicium (SiPM) permet- tant de convertir les photons optiques en signaux électriques mesurables. Le principe de fonction- nement des TPM et SiPM repose en premier lieu sur l’absorption des photons optiques par effet photoélectrique, au niveau d’une photocathode constituée de métal ou de semi-conducteur, engen- drant une émission d’électrons. Cependant, ceux-ci créent un signal électrique trop faible pour qu’on puisse le détecter. Pour amplifier ce signal, une série de dynodes est placée entre la photocathode, chargée négativement, et l’anode, chargée positivement. De la photocathode vers l’anode, chaque dynode est chargée plus positivement que la précédente. L’électron arraché va être accéléré en direc- tion de la première dynode par le champ électrique généré par la différence de potentiel. La collision avec la dynode va engendrer l’émission de plusieurs électrons qui, à leur tour, vont être accélérés vers la dynode suivante. Ce phénomène va se répéter de dynode en dynodes, générant à chaque fois plus d’électrons jusqu’à l’anode où l’ensemble des électrons va être absorbé en créant un courant élec- trique mesurable. La géométrie de la chaîne de dynodes est construite de telle sorte que le nombre d’électrons émis entre chaque dynode augmente de manière exponentielle. Par exemple, si à chaque dynode, un électron en arrache en moyenne 5 électrons et que la chaîne contient 12 dynodes, 1 seul électron émis de la photocathode va produire ≈ 108 _{électrons au niveau de l’anode. Dans un SiPM}

l’amplification se fait par effet d’avalanche, c’est-à-dire qu’un champ électrique intense est appliqué à un semi-conducteur et à chaque fois qu’un électron percute un de ses atomes, plusieurs électrons sont arrachés puis accélérés par le champ électrique. Le même processus se répète avec les électrons ainsi générés jusqu’à l’anode.

Lorsqu’un photonγ est totalement absorbé par un cristal, le rayonnement de scintillation ré- sultant est composé d’un ensemble de photons dont la somme des énergies est proportionnelle à l’énergie initiale du photonγ. Le courant généré par un TPM ou SiPM pour un photon est propor- tionnel à son énergie. Le courant généré par tous les photons de scintillation d’un photonγ incident permet d’estimer son énergie et donc de discriminer les photons d’annihilation à 511 keV des autres (photons diffusés ou produits par d’autres processus qu’une annihilation électron-positon).

1.2.5.2 Variations de la sensibilité

Chaque couple de cristaux du détecteur possède une sensibilité propre qui peut être source d’er- reurs de quantification dans les reconstructions. Cette variation est due à deux effets. Premièrement, la variation de sensibilité intrinsèque aux deux cristaux, liée à la position des cristaux par rapport aux TPM, aux gains des TPM ainsi qu’à des variations physiques dans les cristaux. Cette valeur est susceptible d’évoluer avec le temps est nécessite d’être mesurée périodiquement. Deuxièmement, la variation de sensibilité géométrique liée à la géométrie du détecteur. Un couple de cristaux donné va avoir une certaine sensibilité géométrique qui dépend de l’orientation relative des cristaux et des parties du détecteur (cristaux voisins et septa) pouvant atténuer les photons. Cette deuxième com-

posante est moins susceptible d’évoluer dans le temps. 1.2.5.3 Effet de parallaxe

Afin de détecter efficacement les photons d’annihilation, l’anneau de cristaux placé autour du pa- tient est conçu de telle sorte qu’il absorbe la majorité des photons l’atteignant. Pour répondre à cette contrainte, il y a deux solutions, créer des cristaux scintillateurs dans un matériau très atténuant pour les photonsγ ou avoir un détecteur épais. Les cristaux classiques comme le LSO ou le GSO absorbent 50% des photons en un peu plus de 1 centimètre [Nikolopoulos et al., 2006]. Pour que le scanner ait une sensibilité suffisante, les cristaux sont très allongés, typiquement 2 cm pour les scanners corps entier et 1 cm pour les scanner pré cliniques, par rapport aux autres dimensions, comprises entre 6 et 1 mm. Pour les paires de cristaux détectant des LOR passant loin du centre du scanner, l’allongement des cristaux implique que les LOR peuvent être comprises dans un intervalle de positions plus grand, comme illustré sur la figure1.12a. C’est ce qu’on appelle l’effet de parallaxe, qui est responsable d’une plus grande incertitude sur la position d’une LOR détectée sur le bord du champ de vue qu’une LOR détectée au centre. L’effet de parallaxe est aussi appelé pénétration intercristaux, parce qu’il résulte de la pénétration des photonsγ dans le détecteur, de telle sorte qu’ils traversent plusieurs cristaux avant d’être détectés.

(a) Effet de parallaxe (b) Diffusion dans le détecteur

FIGURE1.12 – En(a)la longueur des cristaux entraîne des effets de parallaxe lorsque l’on s’éloigne du centre

du champ de vue. En(b)la diffusion des photonsγ dans le détecteur peut entraîner un décalage de la LOR

détectée.

1.2.5.4 Diffusion dans le détecteur

Lorsqu’un photon γ atteint un cristal scintillateur, celui-ci peut subir en général plusieurs dif- fusions Compton avant d’être absorbé par effet photoélectrique ou d’en sortir. Chaque interaction avec le cristal émet des photons optiques convertis en un signal électrique dont l’intensité est pro- portionnelle à l’énergie perdue par le photonγ dans la diffusion. L’ensemble de ces interactions, et des émissions de photons optiques associées, se produisent dans un délai si court que le détecteur ne perçoit que la somme de toutes ces interactions. Il est alors possible qu’un photon, lors de son par- cours, interagisse avec plusieurs cristaux et dévie significativement de sa trajectoire initiale, comme le montre la figure1.12b. On nomme cet effet la diffusion intercristaux, parce qu’elle résulte de la dif-

fusion des photonsγ dans le détecteur, qui les dévie et les conduit à être détectés dans des cristaux ne se trouvant pas sur leurs trajectoires initiales.

1.2.5.5 Résolution énergétique limitée

Le système composé d’un cristal scintillateur et d’un TPM ou SiPM a une résolution énergétique limitée. L’erreur associée dépend de l’énergie mesurée et est distribuée suivant une loi normale. Pour des cristaux en GSO avec des TPM, elle a une FWHM qui se situe autour de 15% à 511 keV [Balcerzyk et al., 2000]. Comme nous l’avons dit, la discrimination des photons d’annihilation directs et des pho- tons diffusés ou produits par d’autres processus physiques est faite grâce à l’énergie mesurée qui doit être de 511 keV. Étant donnée la résolution énergétique limitée, les énergies mesurées des photons d’annihilation directs vont être distribuées autour de 511 keV et donc se mélanger avec les énergies des autres photons. Une fenêtre d’énergie est fixée afin de discriminer les photons d’annihilation di- rects des autres. Les seuils de cette fenêtre doivent être choisis avec précaution pour sélectionner le plus de photons d’annihilation directs et le moins de photons diffusés ou générés par d’autres pro- cessus physiques.

1.2.5.6 La profondeur d’interaction

La profondeur d’interaction ou depth-of-interaction en anglais (DOI) correspond à la position le long de l’axe du cristal du barycentre de toutes les émissions de photons de scintillation générés par un photonγ. Sans position d’interaction ou position-of-interaction en anglais (POI) la seule infor- mation de localisation du photon est la position du cristal. La POI quant à elle donne la position complète dans le cristal. La forme allongée des cristaux entraîne des effets de parallaxe importants lorsqu’on s’éloigne du centre du champ de vue du scanner.

Actuellement, il n’existe aucun scanner commercial permettant de mesurer cette information et seulement quelques prototypes le peuvent [Moses et Derenzo, 1994, Moses et al., 1995, Ling et al., 2007].

1.3 Chaîne de traitement des événements détectés et formation des coïn-

cidences

1.3.1 Principes

Les signaux électriques générés par les TPM ou SiPM subissent une série de traitements afin de déterminer quand un photon d’annihilation a été détecté et quand deux photons détectés sont is- sus d’une même annihilation. On distingue quatre niveaux dans les événements détectés. Première- ment, les hits qui sont les interactions uniques des photonsγ avec les cristaux. Les détecteurs actuels, de par leur résolution temporelle et le temps de relaxation des cristaux scintillateurs, ne permettent pas de mesurer chacun de ces événements séparément. On commence cependant à voir émerger des prototypes de scanner permettant d’avoir des informations sur les hits [Raczy´nski et al., 2014]. Deuxièmement, les pulses qui correspondent aux sommes des hits produits dans un même cristal

et dans un laps de temps suffisamment court pour qu’on puisse considérer qu’ils aient été générés par le même photonγ. Troisièmement, les singles qui sont les sommes des pulses produites parmi un groupe de cristaux défini. Ils permettent de détecter les photons interagissant avec plusieurs cris- taux. Ce sont généralement ces événements qui sont détectés par le scanner. Enfin, les coïncidences qui sont constituées de deux singles dont les énergies sont comprises dans la fenêtre d’énergie et ayant été détectés dans un intervalle de temps donné, qu’on appelle la fenêtre de coïncidence et qui correspond à la résolution temporelle du système. Cette chaîne de détection et de traitements est schématisée dans la figure1.13.

temps Energie 511keV Emax Emin Single2 Single1 Fenêtre d'énergie hit : pulse : single : Coïncidence

photon1photon2photon3

Création des singles : somme des pulses dans un

même groupe de cristaux ∑ ∑ Detection des hits :

Création des pulses : somme des hits dans un même cristal

cristal1cristal2 cristal3

∑ ∑ ∑ groupe de cristaux1 groupe de cristaux2 Mise en coïncidence des singles : vérification des énergies et de l'intervalle temporel Fenêtre d'énergie Single1 Fenêtre temporelle1 Fenêtre temporelle2 cristal5 cristal4 ∑ ∑ ∑ groupe de cristaux3 Fenêtre temporelle3 Coïncidence E t t t t E E E

FIGURE1.13 – Schéma des traitements appliqués aux événements détectés pour former les coïncidences. Ici,

trois photons (une couleur par photon) génèrent des hits qui, sommés par cristaux, forment des pulses qui, à leur tour sommées par blocs de cristaux, forment des singles. Quand un single est détecté, la fenêtre de coïn- cidence s’ouvre et tout autre single détecté pendant cet intervalle de temps lui est associé pour former une coïncidence, si les deux singles rentrent dans la fenêtre d’énergie.

Dans le document Amélioration qualitative et quantitative de reconstruction TEP sur plate-forme graphique (Page 30-34)