Relation avec les critères de performance

3.4 Relation avec les critères de performance

Les matrices de PAMP, qu'elles soient à lecture analogique ou logique, inuencent à dif- férents degrés les quatre critères de performances étayés à la section 2.3 lorsqu'utilisées dans une chaîne de détection par scintillation.

Pour la résolution spatiale, le comparatif avec d'autres systèmes employant une technologie antérieure doit aussi considérer la taille du scintillateur puisqu'elle intervient dans le calcul de résolution spatiale (équation2.1). Sachant cela, la comparaison qualitative entre deux systèmes devient possible. Par exemple, le scanner d'Indiana [Rouze et al., 2005], qui utilise des scintillateurs LSO de 0.87 mm × 0.87 mm lus par des TPM et un diamètre d'anneau de 160 mm obtient une résolution spatiale autour de 1.1 mm LMH dans les premiers 15 mm autour du centre du champ de vue. Le scanner de [Kwon et al., 2011] quant à lui intègre des scintillateurs LGSO de 1.5 mm × 1.5 mm couplés à plusieurs matrices de SiPM avec un diamètre de 60 mm et obtient aussi une résolution spatiale d'environ 1 mm. En supposant un facteur de reconstruction a identique de 1, la même portée de positron r de 0.5 mm et une résolution spatiale au centre de 1.1 mm, l'équation2.1 déduit les facteurs de décodage de 0.804 et 0.616 pour chaque appareil, respectivement. Il n'est pas possible de dire si le SiPM est majoritairement responsable de la réduction du facteur d'encodage. Plusieurs facteurs peuvent intervenir ici, comme le niveau de bruit dans l'électronique frontale, la qualité du couplage optique, la qualité des cristaux de scintillation, ou encore les méthodes de calcul implantées dans l'algorithme de reconstruction d'image de chacun des appareils comparés. Par contre, on peut conclure que les systèmes à matrices de SiPM orent, à tout le moins, des performances similaires aux technologies existantes.

Concernant la résolution en énergie, les matrices de PAMP peuvent atteindre la perfor- mance intrinsèque des scintillateurs. En eet, autant les matrices à lecture analogique [Szczesniak et al., 2013] qu'à lecture logique [Braga et al., 2014; Degenhardt et al., 2012] obtiennent des résultats entre 10 et 12%. Il s'agit de performances sensiblement équivalente aux meilleures mesures avec PMT [Balcerzyk et al., 2000], et légèrement meilleure que cer- tains systèmes PMT récents ([Wong et al., 2015], 14%) ou substantiellement meilleur que les systèmes à base de PDA (20-25%) (section 2.3.2). Cette bonne performance provient de la granularité disponible pour compter les photons durant une scintillation. Par contre, ces bonnes performances sont toujours assujetties au bruit de l'électronique frontale et/ou du couplage optique ([Kwon et al., 2011] n'atteint que 25% avec des SiPM).

Au niveau de la sensibilité absolue, la plupart des études la considèrent sur l'ensemble d'un appareil TEP. Elles ciblent rarement le détecteur ou une de ses sous-composantes. Le

38 CHAPITRE 3. ARCHITECTURES DE MATRICES PAMP photodétecteur ne joue pas de rôle en soi sur la sensibilité radiologique, mais le système d'acquisition ou l'électronique frontale, oui. Par exemple, si le seuil de détection est placé très bas (au premier photon), le bruit généré par le photodétecteur peut engendrer de faux déclenchements, qui causent à leur tour du temps mort dans le système d'acquisition et par conséquent aectent la sensibilité absolue. Les circuits de lecture par signal analogique sommé peuvent minimiser ces faux déclenchements en plaçant leur seuil au-dessus du niveau de bruit, mais au prix d'une légère perte de performance sur la mesure temporelle [Gundacker et al., 2015]. Du côté des matrices à lecture en niveaux logiques, il n'y avait pas d'analyse détaillée à ce sujet au moment d'amorcer les travaux présentés ici.

Enn, le dernier critère, soit la performance temporelle, est analysé en détail dans le prochain chapitre et n'est donc pas plus développé ici.

3.5 Conclusion

La granularité des photodiodes à avalanche monophotonique change radicalement l'analyse du signal de photodétection par rapport aux détecteurs proportionnels (ex : TPM et PDA). Les diérentes formes de circuits d'étouement qui les accompagnent permettent jusqu'à une certaine limite de choisir quel type de performance sera mise de l'avant pour l'applica- tion visée, et surtout à quel coût et avec quels impacts sur l'électronique subséquente. Ces choix inuencent d'autant plus l'architecture des matrices de PAMP, assemblage essentiel en TEP. L'intégration électronique verticale procure de nouvelles avenues qui assouplissent les contraintes de conception des matrices, mais qu'il faut exploiter en fonction du contexte spécique de l'application et à condition d'obtenir un gain de performance signicatif. Parmi les quatre critères de performance des détecteurs, la résolution spatiale et la ré- solution en énergie bénécient modérément de la nouvelle structure de photodétection. Aucune étude préalable à ces travaux ne se penche spéciquement sur la sensibilité du détecteur en fonction de son architecture et de son bruit intrinsèque, possiblement parce qu'elle n'était pas immédiatement apparente dans les conditions d'utilisation.

Par contre, l'intérêt principal de la technologie PAMP repose sur ses performances tempo- relles. Le prochain chapitre étudie plus largement cet ultime critère de performance dans le contexte d'utilisation de la TEP intégrant la mesure du temps de vol des particules.

CHAPITRE 4

Incertitudes des mesures temporelles

La mesure du temps de vol en TEP gure parmi les objectifs principaux de ces travaux de recherche, et donc les éléments majeurs contribuant à embrouiller cette mesure doivent être soulevés et étudiés an d'évaluer leurs rôles vis-à-vis de l'architecture d'acquisition. La chaîne de détection de radiation par scintillation se sépare en trois sections majeures, soit le scintillateur, l'optoélectronique et l'acquisition du signal (gure 4.1 et section 2.2). Chaque section introduit des incertitudes dans la mesure temporelle de la radiation, et l'élément le plus bruyant limitera les performances de l'ensemble.

Figure 4.1 Éléments dans la chaîne de détection de la radiation pour la TEP. La section acquisition et traitement de signal peut suivre deux types de parcours diérents, soit le parcours à somme analogique et le parcours logique.

Ce chapitre introduit d'abord les mécanismes de base des scintillateurs, puis ceux de l'optoélectronique, toujours dans le contexte de la mesure temporelle de la radiation. Ceci permettra dans un troisième temps de comprendre les points forts, et les points faibles des architectures existantes, et enn de mener vers des pistes d'améliorations intéressantes.

4.1 Scintillateurs

La transformation du photon d'annihilation en photons lumineux visibles à l'interface avec le photodétecteur suit une séquence de plusieurs étapes. La section ici ne tente pas d'orir une explication exhaustive des mécanismes, déjà très bien détaillés dans les ouvrages de [Lecoq et al., 2010; Mikhailin et al., 2002; Weber, 2004], mais plutôt de les résumer an d'apprécier la complexité du processus et l'impact sur les étapes suivantes dans la chaîne de

40 CHAPITRE 4. INCERTITUDES DES MESURES TEMPORELLES détection ainsi que sur la résolution temporelle. La séquence suit deux phases principales, soit la production de la lumière et le transport de la lumière.

Le cristal amorce la séquence de production de la lumière par l'étape de conversion (gure

4.2), où l'absorption du rayonnement crée un électron primaire de haute énergie. Il trans- met ensuite son énergie par diérents processus tels que l'émission radiative, l'émission d'électrons Auger ou les collisions électron-électron. Les porteurs de charge ainsi activés diusent ensuite dans le cristal. Ils peuvent se faire piéger par des défauts ou par des impuretés du cristal, ou encore se diriger vers les centres de transition luminescente (étape de transport). Dans ce cas, les porteurs libèrent leur énergie sous forme de lumière (étape de luminescence). La longueur d'onde de la lumière émise dépend de la largeur de bande au site de recombinaison, imposée par les matériaux utilisés dans la synthèse du cristal (tableau 2.1).

Figure 4.2 Séquence de production de la lumière dans un scintillateur avec échelles de temps associées. Version simpliée de la présentation de [Lecoq, 2011], qui référence les travaux de [Mikhailin et al., 2002].

Les photons lumineux, émis de façon isotrope, voyagent ensuite jusqu'à ce qu'ils soient absorbés dans le cristal ou qu'ils s'en échappent (gure 4.3). Même dans ce cas-ci, rien ne garantit que ces photons s'échapperont par la surface couplée au photodétecteur. Pour ceux qui y parviennent, leur trajet aecte nécessairement leur temps d'arrivée, variation visible lorsque l'application vise des mesures dans l'ordre des dizaines de picosecondes. La géométrie du cristal, sa transparence, l'emballage du cristal dans un matériau réecteur et les indices de réfraction du cristal, du coupleur optique et du photodétecteur ne sont que

4.2. OPTOÉLECTRONIQUE 41