2.2 Géométrie du détecteur et faisabilité de la reconstruction
2.2.3 Performances spatiales
Les caractéristiques des différentes géométries et du fantôme de Derenzo sont mainte- nant connues. Après les simulations à l’aide de GATE, la reconstruction tomographique a
Figure II.10 – Fantôme de Derenzo : 6 quartiers de cylindres remplis d’eau, émetteurs β+, de
diamètres 3, 4, 5, 6, 8 et 10 mm, pour une hauteur de 5 cm
été effectuée pour toutes ces configurations, avec les mêmes paramètres. C’est une recons- truction de type OSEM (Ordered Subset Expectation Maximization) [ Hudson et Larkin 1994 ], avec 10 subsets et 10 itérations, prenant en compte la correction d’atténuation. N’étant qu’une preuve de faisabilité préliminaire, peu de raffinements ont été apportés à la méthode de reconstruction.
Pour la GEMINI, on peut observer Figure II.11 à gauche que les cylindres de diamètre 5 mm et plus sont bien discernables. Les cylindres de diamètres 4 et 3 mm sont à peine
Figure II.11 – À gauche : Fantôme de Derenzo dans le champ de vue ; au centre : fantôme
de Derenzo après reconstruction par la GEMINI ; à droite : profil d’une rangée de cylindres de diamètre 4 mm
discernables, et pas suffisamment résolus, comme le montre le profil d’une rangée de cylindres de diamètre 4 mm (Figure II.11). Pour la configuration GEMINI, la résolution spatiale sur fantôme de Derenzo semble donc se situer, qualitativement, entre 4 et 5 mm. Comparons maintenant aux géométries originales étudiées.
La comparaison des images reconstruites Figure II.12 est quantitativement difficile. Néanmoins, on semble observer des performances moindres pour le demi-cylindre comme pour le trapèze par rapport aux géométries rectangle et hexa. De la même façon que pour la GEMINI, nous avons tracé les profils d’une rangée de cylindres de diamètre 4 mm, Figure II.13. On peut alors faire deux remarques. Les reconstructions semblent toutes sensiblement plus résolues que pour la GEMINI. Ce qui est intuitif étant donné que toutes nos configurations ont accès, au moins en partie, à l’information sur la DOI. Néanmoins, les géométries rectangle et hexa semblent confirmer des performances légèrement supérieures aux autres.
On peut également s’intéresser à des cas plus extrêmes, avec ce même fantôme de Derenzo excentré de 20 cm sur la droite, par rapport au centre du champ de vue. Cela permet de constater la robustesse de la reconstruction dans des situations où les effets de bords sont plus importants qu’au centre. De tels fantômes, après reconstruction, sont présentés sur la Figure II.14, et montrent alors des résultats intéressants. Mis à part le cas
Figure II.12 – Fantôme de Derenzo après reconstruction : (A) géométrie demi-cylindrique, (B)
géométrie rectangle, (C) géométrie hexa, (D) géométrie trapèze et au centre pour rappel avec la géométrie GEMINI
de la géométrie demi-cylindrique, qui montre de légères distorsions, les autres géométries présentent des performances comparables. C’est lié à la DOI, qui permet de compenser les effets de parallaxe en bord de champ de vue notamment.
Malgré les géométries fortement asymétriques, les performances spatiales restent bonnes grâce à l’information sur la DOI qui compensent l’asymétrie. Ainsi, la GEMINI étant un imageur PET que l’on trouve en clinique actuellement, nous sommes a priori en mesure de nous positionner sur un niveau équivalent en terme de résolution spatiale. Mais il y a plusieurs réserves à émettre malgré tout. La première est que la GEMINI est un modèle relativement ancien, et qu’à présent les PET commercialisés sont légère- ment supérieurs en terme de performances spatiales. Il faut noter également qu’à ce stade, l’algorithme de reconstruction tomographique n’a pas vraiment été optimisé, mais juste adapté à partir de celui pour la GEMINI. Ce qui implique des artefacts dans l’image (anneau central sur le fantôme de Derenzo, ligne de hachure) qui n’apparaissent pas avec le GEMINI. C’est d’autant plus dommageable que cela peut induire un biais important lors de la quantification. Les résultats sont donc encourageants : ils démontrent que de telles géométries permettent de reconstruire des images de qualité équivalente aux sys- tèmes traditionnels, sous réserve d’avoir une information sur la DOI. C’est donc vers de tels choix instrumentaux que va s’orienter le projet MoniPET.
Figure II.13 – Profil sur une ligne de cylindres de 4 mm de diamètre du fantôme de Derenzo après
reconstruction : (A) géométrie demi-cylindrique, (B) géométrie rectangle, (C) géométrie hexa, (D) géométrie trapèze
Figure II.14 – Fantôme de Derenzo excentré de 20 cm sur la droite après reconstruction : (A)
géométrie demi-cylindrique, (B) géométrie rectangle, (C) géométrie hexa, (D) géométrie trapèze, avec à titre illustratif le fantôme dans la géométrie hexa au centre
Conclusion du chapitre
Après avoir résumé les applications de l’imagerie PET, des besoins cliniques potentiels ont été identifiés. Le projet MoniPET, qui vise à répondre au besoin d’imageurs PET en suivi thérapeutique, a choisi une approche instrumentale originale. Les deux caractéris- tiques principales sont l’arrangement géométrique et la division de lumière sur barreau scintillateur. Une étude préliminaire semble montrer que de tels choix instrumentaux sont prometteurs. En effet, le principe de la division de lumière semble fiable et entrer dans le cahier des charges en terme de résolution spatiale. Le concept d’une géométrie originale non cylindrique est également envisageable à condition d’avoir accès à l’information sur la DOI. Mais il reste encore à étudier les conditions de mise en œuvre. Notamment l’étude du composant élémentaire de détection (composé d’un cristal scintillateur lu par division de lumière par un SiPM à chaque extrémité). En particulier, des paramètres tels que la longueur des cristaux scintillateurs ou le revêtement optique appliqué, pour l’optimisation instrumentale pour la division de lumière, seront détaillés dans le chapitre III. Dans le chapitre IV, une validation expérimentale des performances sera ensuite réalisée à par- tir d’un premier module de cristaux, et la première image sera formée à partir de deux modules en coïncidence. Enfin, par simulations Monte Carlo, les performances de l’ima- geur PET complet seront caractérisées dans le chapitre V, en implémentant les résultats expérimentaux dans les modèles des simulations.
III
Le composant
élémentaire de détection de
MoniPET : principe et
performances
As we let our own light shine, we unconsciously give other people permission to do the same.
Nelson Mandela
Sommaire
A Notions d’interaction du rayonnement gamma avec la matière . 59 1 Les interactions du rayonnement gamma . . . 59 2 La détection de rayonnement gamma . . . 60 B Principe du détecteur élémentaire . . . 70 1 Principe de la localisation par division de lumière . . . 70 2 Les choix instrumentaux. . . 72 C Caractérisation des performances du détecteur élémentaire. . 84 1 Matériels et méthodes . . . 84 2 Résultats et performances expérimentales . . . 92 3 Considérations statistiques sur la division de lumière . . . 106 4 Discussion . . . 109 Conclusion du chapitre . . . 110
L
e composant élémentaire de détection de la plupart des systèmes PET est constitué d’un cristal scintillateur couplé à son photodétecteur et de l’électronique associée. Dans ce chapitre, nous allons dans un premier temps présenter les notions de base de ces éléments (nature, principe et caractéristiques) puis nous introduirons les spécificités instrumentales de MoniPET. Nous développerons ensuite, à travers la discussion d’une première série de résultats, le principe de localisation par division de lumière. Enfin, une étude exhaustive des performances (tant énergétiques que spatiales) mesurées par division de lumière sera présentée pour une large gamme de paramètres instrumentaux.A
Notions d’interaction du rayonnement gamma avec la ma-
tière
1
Les interactions du rayonnement gamma
Il existe quatre processus d’interaction d’un rayonnement gamma avec la matière : l’ef- fet photoélectrique, la production de paire, la diffusion Compton et la diffusion Rayleigh. Nous rappelons ci-dessous succintement la nature et les caractéristiques de ces interac- tions, telles que présentées dans la littérature [ Knoll 2010 ].