Domaine de l'invention

L'invention concerne le domaine de l'imagerie fonctionnelle radio -isotopique et, plus particulièrement, l'imagerie bi-photonique appelée tomographie par émission de positons ou TEP.

L'invention vise les procédés et les dispositifs d'imagerie fonctionnelle, et plus singulièrement les procédés et les dispositifs d'imagerie TEP.

L'invention est plus précisément relative à un procédé d'acquisition des scintillations photoélectriques (S) de photons gamma dans un milieu cristallin, constitué par au moins un barreau monocristal détecteur de photons gamma, de préférence de photons gamma d'annihilation pour dispositif d'imagerie TEP.

Art antérieur

L'imagerie nucléaire, dans son principe, consiste à administrer un traceur contenant des molécules marquées par un isotope radioactif afin de suivre par détection externe, le fonctionnement normal ou pathologique d'un organe donné.

Dans le cadre de la TEP, le traceur est injecté à un patient par voie intraveineuse et va se fixer sur les cellules concernées pour émettre des positons. Une fois émis, le positon interagit avec un électron du milieu, suivant une réaction d'annihilation au cours de laquelle les masses de ces deux particules se transforment en deux photons gamma ou photons d'annihilation dotés d'un niveau d'énergie défini. Ces photons sont émis simultanément, colinéairement et suivant des directions opposées. Ces caractéristiques sont exploitées pour localiser la direction d'émission des photons d'annihilation sans avoir recours à un collimateur. Cette direction d'émission est appelée ligne de réponse, dite LOR, en anglais "Line Of Response" . Cette LOR contient la position de la source de positons. Les images obtenues en TEP, résultent d'un processus de reconstruction tomographique qui, à partir de l'ensemble des lignes de réponse acquises par le système, estime la distribution tridimensionnelle du radio -traceur dans l'organe à étudier.

La détection des photons gamma est assurée par des barrettes judicieusement disposées, composés chacune d'au moins un barreau détecteur relié à un dispositif électronique assurant le processus de traitement et de reconstruction tomographique aboutissant à l'image recherchée. Le barreau détecteur est constitué d'un cristal scintillateur qui convertit l'énergie photonique des photons d'annihilation en une émission isotrope de photons lumineux susceptibles d'être détectés par un photodétecteur situé à proximité du cristal et qui est conçu apte à mesurer l'énergie reçue. La formation d'une image de TEP est liée aux événements d'annihilation produits chacun par deux photons essentiellement antiparallèles de 511 kev. Avec des détecteurs disposés autour de l'objet à imager, deux interactions photoélectriques de détection peuvent être observées sensiblement en même temps (interactions coïncidentes) dans deux modules détecteurs opposés (situés de part et d'autre de l'objet à imager). L'événement d'annihilation produisant les photons de 511 kev est localisé quelque part sur la LOR. Les événements coïncidents détectés peuvent être utilisés pour créer une image en trois dimensions selon des procédés connus.

La qualité (contraste et finesse) des images à trois dimensions de TEP est dépendante de la proportion entre les coïncidences dites « fausses » et les « vraies ». La qualité de l'image est d'autant meilleure que la quantité de fausses coïncidences est réduite. En effet, une fausse coïncidence induit une fausse LOR qui ne contient pas le point réel de l'annihilation. Cette LOR introduit donc un bruit néfaste pour l'image reconstruite.

Une partie importante de ces fausses coïncidences proviennent de l'acquisition de photons ayant subi au moins une déviation par une interaction de type Compton lors de leur trajet.

Cependant, à cause de cette interaction de type Compton, ces photons ont une énergie inférieure à celle de départ qui est de l'ordre de 51 1 keV.

Pour réduire la mesure de ces interactions ayant subi une interaction de type Compton, il est connu de procéder à un filtrage énergétique basé sur un seuil constant dans des blocs détecteurs (ou barrettes de détection) dans lesquels la mesure énergétique El ou E2 est effectuée sur une seule extrémité des barreaux. Ce seuil représente la valeur minimale d'énergie que doit libérer le photon lors de l'interaction dans le cristal afin que cette interaction soit considérée de type photoélectrique sans avoir subi d'interaction Compton au préalable. La valeur du seuil est généralement fixée proche de celle de la vallée Compton, c'est-à-dire à 2/3 de l'énergie du pic photoélectrique.

De plus, un seuil maximal d'énergie (dont la valeur est supérieure à l'énergie du pic photoélectrique) est préférablement ajouté afin d'éliminer les mesures résultantes de plusieurs photons interagissant dans le même barreau en même temps ou bien à des photons d'énergie supérieure à 511 keV.

Cette méthode de seuillage peut être appliquée de la même façon à un procédé où les énergies El et E2 sont mesurées à chaque extrémité du barreau. Le seuil énergétique est alors appliqué non plus à l'une des énergies El ou E2 mais à la somme des énergies (El + E2) (flj W. W. Moses and SE Derenzo, "Design studies for a PET detector module using a PIN photodiode to measure depth of interaction. " IEEE Trans. Nucl. Sci., vol.41, pp. 1441-5, 1994

et [2] Y. Shao, K. Meadors, et al., "Dual APD array readout of LSO crystals: optimization of crystal surface treatment, " IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 49(3), pp. 649- 654, June 2002). Cependant, cette méthode n'est plus aussi efficace lorsque l'énergie de la somme varie en fonction de la position d'interaction le long du cristal. En effet, la variation d'énergie oblige à définir des seuils constants englobant l'intégralité de la courbe en énergie, ce qui crée un seuillage inhomogène le long du cristal et qui augmente la proportion d'interaction Compton sur les extrémités du barreau comme le montrent la figure 1 qui donnent les courbes de la somme des énergies (El + E2) en fonction de la position (x) de l'interaction sur le cristal. Cette figure fait apparaître les limites et les inconvénients de ce procédé connu dans lequel l'énergie d'interaction est mesurée aux deux extrémités et dans lequel on utilise une fonction d'énergie F _E pour le filtrage, égale à la somme des énergies (El + E2). Le tri des interactions de type Compton est alors réalisé par un seuil minimal de valeur fixe (Figure 1) et éventuellement un seuil maximal de valeur fixe. Cette méthode n'est plus efficace lorsque la somme des énergies (El + E2) varie en fonction de la position. La figure 1 montre les zones problématiques au dessus du seuil minimal, dans lesquelles des interactions Compton sont possibles et ne sont pas éliminées par ce procédé connu de seuillage.

Dans ce contexte, le problème technique à la base de l'invention est donc d'améliorer le filtrage des interactions Compton dans un barreau de cristal scintillateur équipé de détecteur d'énergie El, E2 à chacune de ses extrémités. L'ensemble des barreaux - détecteurs forme une barrette de détection pour dispositif d'imagerie TEP.

Au moins l'un des objectifs de l'invention est d'apporter une solution simple, économique et efficace à ce problème, au travers :

^■ d'un procédé d'acquisition des scintillations photoélectriques de photons gamma dans un milieu cristallin, constitué par au moins un barreau monocristal détecteur de photons gamma, de préférence de photons gamma d'annihilation pour dispositif d'imagerie TEP,

^■ d'un procédé perfectionné de détermination de la DOI (« Depth Of Interaction : profondeur d'interaction ») pour estimer la position de l'impact d'un photon gamma dans un barreau monocristal détecteur de photons gamma, de préférence de photons gamma d'annihilation pour dispositif d'imagerie TEP,

^■ d'un procédé d'estimation des LORs dans le cadre d'un procédé d'imagerie TEP,

^■ ou d'un procédé d'imagerie TEP,

dans lequel est mise en œuvre une nouvelle méthode avantageuse de filtrage des interactions Compton.

L'invention vise également un dispositif d'imagerie TEP pour la mise en œuvre de l'un au moins de ces procédés. Brève description de l'invention

L'invention satisfait à au moins l'un des objectifs évoqués ci-dessus.

Pour ce faire, les inventeurs ont eu le mérite de proposer un nouveau seuillage perfectionné, qui peut être un simple ou un double seuillage, des énergies El, E2 mesurées aux extrémités d'un barreau monocristal scintillateur, ce nouveau seuillage perfectionné, étant variable ou non en fonction de la position (x) de la scintillation (S) résultant de l'impact d'un photon d'annihilation avec le cristal.

D'où il s'ensuit que la présente invention concerne, dans son premier aspect, un procédé d'acquisition des interactions (scintillations) de photons gamma dans un milieu cristallin, constitué par au moins un barreau monocristal détecteur de photons gamma, de préférence de photons gamma d'annihilation pour dispositif d'imagerie TEP,

dans lequel

(i) on mesure les énergies lumineuses respectivement El, E2 d'interaction des photons avec le barreau aux extrémités (1, 2) dudit barreau,

(ii) on filtre les énergies El, E2 mesurées pour éliminer les interactions de type Compton au profit des interactions photoélectriques,

ledit filtrage (ii) étant :

(ii.l) d'une part, basé sur

a. un étalonnage initial des énergies El, E2 mesurées aux extrémités du barreau, en fonction de la position d'interaction d'un rayonnement donné le long du barreau, en mesurant des valeurs de pics photoélectriques en fonction de la position (x) d'interaction le long du barreau (El_pic et E2_pic) ;

b. un calcul :

^■ d'au moins une fonction de seuillage F _Cm m exprimant un seuil d'énergie minimale (Cmin), et

^■ éventuellement, d'au moins une fonction de seuillage F _CMAX exprimant un seuil d'énergie maximale (Cmax), et,

c. la définition d'au moins une fonction d'énergie F _E (El et/ou E2) ; à l'exclusion du cas dans lequel une fonction d'énergie F _E = El + E2 et une fonction de seuillage F _Cmi „ est une constante, ou du cas dans lequel une fonction d'énergie F _E = El + E2 est une fonction F _Cmi „ sont des constantes ;

(ii.2) et, d'autre part, obtenu par :

^■ comparaison avec Cmin, et éventuellement avec Cmax, de l'image I par la fonction d'énergie F _E (E1 et/ou E2), de El et/ou E2 mesurée(s) à l'étape (i) ; ^■ élimination de l'interaction mesurée correspondant à El et E2

si I < Cmin, ou, éventuellement, si I > Cmax ;

^■ conservation de l'interaction mesurée correspondant à El et E2, si I > Cmin, et, éventuellement si I < Cmax.

Le procédé selon l'invention permet d'optimiser la suppression des interactions de type Compton, tout en conservant l'ensemble des interactions photoélectriques avec une homogénéité sur l'ensemble du barreau. Le tri des interactions Compton s'opère au début de la chaîne de traitement. Cela permet, d'une part, d'améliorer la qualité des interactions conservées et d'autre part, de diminuer le nombre d'interactions inutiles prises en compte pour la détermination des coïncidences et donc de minimiser les quantités de données à traiter et à transférer.

Dans son deuxième aspect, l'invention concerne un procédé perfectionné de détermination de la DOI pour estimer la position de l'impact d'un photon gamma dans un barreau monocristal détecteur de photons gamma, de préférence de photons gamma d'annihilation pour dispositif d'imagerie TEP, caractérisé en ce qu'il intègre le procédé selon l'invention.

Dans son troisième aspect, l'invention concerne un procédé perfectionné d'estimation des LORs dans le cadre d'un procédé d'imagerie TEP, caractérisé en ce qu'il intègre le procédé selon l'invention.

Dans son quatrième aspect, l'invention concerne un procédé d'imagerie TEP caractérisé en ce qu'il intègre le procédé selon l'invention.

Dans son cinquième aspect, l'invention concerne un dispositif d'imagerie TEP comprenant :

- au moins un barreau monocristal détecteur de photons gamma,

- des photodétecteurs adaptés pour détecter et mesurer des énergies lumineuses d'interaction des photons gamma avec le barreau aux extrémités dudit barreau,

- un système de calcul pour la mise en œuvre de l'un au moins de ces procédés selon l'une au moins des revendications précédentes.

Description détaillée de l'invention

Définitions

Les définitions données ci-dessous à titre d'exemples peuvent être utilisées dans l'interprétation du présent exposé. ^■ Dans tout le présent exposé et sauf indication expresse contraire, tout singulier désigne indifféremment un singulier ou un pluriel et tout pluriel désigne indifféremment un pluriel ou un singulier.

^■ TEP : Tomographie par Emission de Positons.

" Interaction : choc entre un photon incident et un électron du matériau dans lequel le photon se propage.

^■ Interaction par effet photoélectrique : interaction selon laquelle le photon incident est presque complètement absorbé lors du choc avec un électron.

^■ Interaction par effet Compton : interaction selon laquelle le photon incident est dévié lors du choc avec un électron. Cette déviation est proportionnelle à la perte d'énergie du photon lors de ce choc. Après une interaction de type Compton, le photon continue sa propagation avec une énergie moins élevée et selon une nouvelle direction.

^■ DOI "Depth Of Interaction" désigne « la profondeur d'interaction » du photon gamma dans le cristal scintillateur c'est-à-dire la position selon un axe du cristal où s'est produite l'interaction du photon gamma avec le cristal qui a donnée lieu à l'émission des photons lumineux mesurés.

^■ LOR, "Line Of Response" : ligne de réponse = ligne ou volume joignant deux positions d'interaction mesurées et considérées comme coïncidentes.

^■ Vraie coïncidence : ce type de coïncidence correspond à une coïncidence dont les deux interactions se sont réalisées par effet photoélectrique libérant chacune une énergie proche de celle de départ, c'est-à-dire 511 keV.

^■ Fausse coïncidence diffusée: type de coïncidence selon laquelle au moins une des interactions prise en compte n'a pas libérée une énergie proche de 511 keV. Description des figures

^■ la figure 1 , qui illustre l'art antérieur, montre la courbe de la somme des énergies (El + E2) en fonction de la position (x) de l'interaction sur le cristal.

^■ La figure 2 est une vue schématique générale en perspective d'un dispositif d'imagerie TEP selon l'invention.

■ La figure 3 est une vue schématique du barreau scintillateur monocristal élémentaire des barrettes de détection du dispositif d'imagerie TEP montrant la variation des énergies El et E2 récoltées en fonction de la position de l'interaction selon l'axe long du cristal.

^■ La figure 4 est une vue schématique générale d'une installation d'étalonnage.

" La figure 5 montre un exemple de courbes d'étalonnage de (El , E2) en fonction de la position (x) de scintillation obtenues dans l'exemple d'étalonnage (ii.l) décrit ci- après. ^■ La figure 6 représente les valeurs des énergies E1 *E2 en fonction de la position d'interaction (x) calculée lors d'une série d'acquisitions sans seuillage le long d'un barreau.

^■ La figure 7 représente les valeurs des énergies El et E2 lors d'une série d'acquisitions avec seuillage (Cmin, Cmax) le long d'un barreau, avec E1 *E2 en fonction de la position d'interaction x, dans la méthode des seuils constants.

^■ La figure 8 montre les courbes des fonctions de seuillage minimum [Fb _Cm in (x) = Esum _pic _min , _x ] et maximum [Fb _Cm ax (x) = Esum _pic _max ,x] de Esum en fonction de la position (x) d'interaction dans le barreau.

Procédé _ et_ dispositi ^? d'imagerie TEP

L'invention s'inscrit dans le contexte de l'imagerie TEP.

La figure 2 montre un schéma d'un dispositif d'imagerie TEP comprenant :

Un anneau (1) formé par un ensemble de barrettes (2) coaxiales, chaque barrette étant constitué par un faisceau de barreaux (3) monocristaux détecteurs de photons gamma, par exemple des barreaux de LYSO (Lutetium-Yttrium OxyorthoSilicate, dopé Ce ) ;

- Une unité (4) de calcul des coïncidences provenant de l'anneau (1) ;

- Une unité (5) de reconstruction à partir des coïncidences provenant de l'unité (4) de calcul ;

- Un écran de visualisation (6) des images TEP reconstruites.

Le sujet (7) dont on souhaite obtenir une image TEP du cerveau est soumis à une injection d'un traceur faiblement radioactif par voie intraveineuse. Le marqueur est le plus souvent le fluor (18F) incorporé dans une molécule de glucose formant le 18F-

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fluorodésoxyglucose (en abrégé F-FDG). La tête du sujet (7) est disposée au centre de

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l'anneau (1). Le F se désintègre en émettant un positon. Celui-ci va s'annihiler avec un électron du milieu, après un très court parcours (en général inférieur à 1 mm). Cette annihilation produit deux photons gamma de 511 keV qui partent sur une même direction mais dans un sens opposé, ce qui rend possible le traitement tomographique des données. (voir détail -8-). En effet, les barreaux (3) - détectent les photons d'annihilation gamma en coïncidence (c'est-à-dire ceux qui arrivent en même temps), ce qui permet d'identifier la LOR désignée par la référence (9) sur laquelle se trouve l'émission des photons.

Comme représenté sur la figure 3, chaque barreau (3) concerné par des interactions avec des photons d'annihilation gamma est le siège de scintillations (10) qui génèrent des énergies lumineuses El, E2 cheminant dans le barreau (3) et détectées/mesurées aux extrémités du barreau (3) par des photodétecteurs (l l i, 11 ₂ ), par exemple des MPPCs (Multi -Pixel Photon Counter). Ces derniers transforment les signaux lumineux en signaux numériques ou analogiques, qui sont transportés à l'unité (4) de calcul des coïncidences, à l'aide de connexions appropriées (12 _ls 12 ₂ ; 13i, 13 ₂ ).

Procédé _, d'acquisiti n des _. interactions ' _. photoélectriques Etape (i) ; _. Détection-Mesure

Les énergies lumineuses El, E2 cheminant dans le barreau (3) sont détectées et mesurées aux extrémités du barreau(3) par des photodétecteurs (111 , 11 ₂ ), par exemple des MPPCs (Multi-Pixel Photon Counter).

On filtre les énergies El , E2 mesurées aux extrémités des barreaux(3) pour éliminer les interactions Compton au profit des interactions photoélectriques,

Ledit filtrage (ii) passe par un étalonnage (a) et par un calcul (b) :

♦♦ ^♦ Etalonnage initial (a)

La phase d'étalonnage des énergies El, E2 mesurées aux extrémités du barreau en fonction de la position d'interaction x dans le barreau (3) est une étape nécessaire pour l'obtention des données permettant le tri des interactions Compton et Photoélectriques.

Cet étalonnage s'opère en mesurant les valeurs de pics photoélectriques en fonction de la position (x) d'interaction le long du barreau (El_pic et E2_pic).

Suivant une modalité préférée de l'invention, l'étalonnage (ii. l .a) comprend les étapes essentielles suivantes :

■ Bombardement du barreau monocristal à étalonner au moyen d'une source collimatée de photons gamma à différentes positions (x) prédéfinies le long de l'axe dudit barreau ;

^■ Pour chaque bombardement du barreau à une position (x), détection des scintillations transmises à chaque extrémité du barreau, à l'aide d'un photodétecteur transformant chaque scintillation en un signal électrique ;

^■ Traitement par intégration de chaque signal électrique pour obtenir les énergies lumineuses terminales correspondantes El et E2 ;

^■ Construction, pour chaque position (x) de la source, des histogrammes des énergies El et E2, et/ou de la somme (Esum = E1+E2) ;

■ Calcul des valeurs des pics photoélectriques (El_pic _x , E2_pic _x et Esum_pic _x ) pour chaque histogramme, El_pic _x , E2_pic _x et Esum_pic _x étant de préférence la valeur centrale de l'approximation du pic photoélectrique de l'histogramme par une distribution gaussienne à la position x considérée ;

^■ Réalisation des courbes El_pic, E2_pic et Esum_pic, en fonction de la position (x) de la source le long du barreau.

Pour réaliser cet étalonnage, on utilise par exemple une installation expérimentale qui

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comporte une source radioactive Na (14), un barreau (3) LYSO étudié, un barreau de collimation (15) (LYSO, 20*2*2 mm), 3 photodétecteurs (MPPC) (16,17,18), dont l ^* un (16) est disposé à une extrémité du barreau (15) et chacun des autres (17,18) est disposé à une extrémité du barreau (3) de mesure, un amplificateur (19) du signal émis par le photodétecteur (16) du barreau (15) et un amplificateur (20) des signaux émis par les photodétecteurs (17,18) du barreau (3) (Fig. 4). Les sorties de ces amplificateurs (19,20) sont reliés au système d'acquisition (21) des signaux. Le système (21) peut comprendre e.g. un oscilloscope, une carte d'acquisition, ou l'électronique d'acquisition "front-end" du dispositif d'imagerie PET.

La source radioactive (14), le barreau de collimation (15) et le photodétecteur (16) associé, forme un ensemble déplaçable en translation sous l'action de moyens de commande (flèche D).

Une collimation électronique est employée dans cet exemple, mais la collimation mécanique est aussi applicable.

L'étalonnage peut être effectué, par exemple, de la manière suivante :

- Les moyens de commande provoquent le déplacement (flèche D) de la source collimatée (14,15) et la positionne à des positions (x) prédéfinies le long de l'axe du barreau de mesure (3). Par exemple, 5 à 20 positions espacées uniformément le long du cristal, à intervalles réguliers, peuvent être utilisées.

A chaque position de la source (14,15), l'acquisition des signaux en provenance des photodétecteurs (17,18) est effectuée. Le nombre de signaux par position est typiquement compris entre 1 000 et 100 000.

Chaque acquisition est traitée afin d'extraire, pour chaque signal les énergies El et

E2 (l'aire sous la courbe du signal de chacun des 2 photo-détecteurs 11 ι,11 ₂ couplés au barreau étudié).

- Des histogrammes des énergies El et E2, ainsi que de la somme (Esum = E1+E2), sont construits pour chaque position de la source. Les valeurs des pics photoélectriques (El_pic _x , E2_pic _x et Esum_pic _x ) sont calculées pour chaque histogramme comme étant la valeur centrale de l'approximation de l'histogramme par une distribution gaussienne pour la position x considérée.

- L'évolution des valeurs des pics photoélectriques est enregistrée en fonction de la position (x) de la source (14,15), le long du barreau.

Cet étalonnage permet d'accéder aux fonctions de seuillage pour un type de barreau (3) de mesure étudié. La figure 5 annexée donne un exemple des courbes d'étalonnage El_pic et E2_pic en fonction de la position (x) pour un barreau particulier. Ce barreau de mesure en LYSO de 60*3*3 mm présente 19 sillons répartis uniformément sur une face latérale et 20 disposés en quinconce des 19 premières sur la face opposée. Ces sillons sont réalisés par un procédé laser, ils sont parallèles aux faces de sortie et s'étendent sur l'intégralité des 3 mm de la largeur du barreau. Ils présentent une profondeur de l'ordre de 200 μιη et une largeur de l'ordre de 70 μιη. Dans le cas de ce barreau présenté dans cet exemple, les courbes obtenues peuvent être approximées correctement par une fonction de type exponentielles de la forme E_pic (x) = Ε0*εχρ(βχ) comme le prouve le coefficient de corrélation R ² > 0.999.

Il est possible selon l'invention d'utiliser au moins une fonction de seuillage F _Cm m exprimant un seuil d'énergie minimale (Cmin), mais il est préférable d'utiliser également au moins une fonction seuillage F _Cm ax exprimant un seuil d'énergie maximale (Cmax), pour améliorer les performances du tri Compton/Photoélectrique, et donc la qualité des images en imagerie PET.

Conformément à l'invention, le calcul (ii.l .b) des fonctions de seuillage F _Cm m & F _Cmax peut être avantageusement effectué selon deux méthodes parmi d'autres: la méthode dite des seuils constants et la méthode dite des seuils variables.

Cela détermine deux formes (A & B) de mise en œuvre de l'invention :

A. Forme de mise en œuvre du procédé selon l'invention avec calcul (ii. l .b) des fonctions de seuillage F _Cmi „ & F _Cmax , par la méthode des seuils constants.

B. Forme de mise en œuvre du procédé selon l'invention avec calcul (ii. l .b) des fonctions de seuillage F _Cmi „ & F _Cm£lx , par la méthode des seuils variables.

-A- Forme de mise en œuyre du procédé selon l'invention avec calcul (ii. l .b) des fonctions de seuillage F _rmil1 & F _rm „. par la méthode des seuils constants

❖ Calcul de u des fonctions _. de _. seuillage _. (ii. _. l .b) par la méthode _. des seuils _, constants La méthode (ii.l .b) des seuils constants consiste à déterminer une fonction de seuillage Fa _Cmin , et éventuellement, une fonction de seuillage Fa _Cmax , telles que :

Fcicmin (El pïCmin El piCmin,x _> clmini■■■ _> Cflmin) C _m i _n pOUT tOUt (x) [1]

Fcicmax (El pïCmax E2 iCmax cl _max , Ct7 _m x) Cmax pOUT tOUt (x) [2] dans lesquelles El_picmi _n ,x = El_pic _x * k _m i _n et E2_pic _m i _n , _x = E2_pic _x * k M _n iiin

et E 1 pÎCmax.x = El_pic _x * k _max et E2 pÎCmax.x E2_pic _x * k _max

avec :

- kmin est compris entre 0 et 1, de préférence entre 0,7 et 0,9, et correspond à la fraction minimale de l'énergie à partir de laquelle l'interaction est considérée comme photoélectrique, - kmax est supérieur à 1 et correspond à la fraction maximale de l'énergie en dessous de laquelle l'interaction est considérée comme photoélectrique,

c 1 min, · · · , cnmin sont des coefficients,

c 1 _max , ... , cn _max sont des coefficients,

C _m i _n et C _max sont des constantes,

(x) est la position d'interaction selon l'axe long du barreau.

Fa _Cmin , et éventuellement Fa _Cmax étant de préférence établies à partir d'un polynôme à deux variables, et les coefficients ainsi que les constantes étant calculées à partir des données de l'étalonnage (ii. l a).

Ces constantes peuvent être calculées de la façon suivante :

Définition d'une fonction d'erreur, par exemple pour la fonction de seuillage minimale :

QTTOT min,x Fci min (El piCmin,x _> El piCmin,x _> cl _m i _n , Cïl _m i _n ) — Cwiiïl

On minimise alors ∑error _m i _n ,x ² pour toutes les valeurs de x en faisant varier les coefficients et les constantes.

L'opération est renouvelée pour la fonction d'erreur maximale.

Les fonctions Fa _Cmi „ et Fa _Cmax sont donc des fonctions mathématiques dont les variables sont proportionnelles aux énergies des pics photoélectriques. Ces fonctions donnent une valeur constante et sont approximativement indépendantes de la position (x).

Ces fonctions ne sont pas prédéfinies et, selon un mode préféré de mise en œuvre, peuvent être établies à partir d'un polynôme à deux variables.

CAS 1 :

Pour reprendre le CAS 1 particulier utilisé dans l'exemple d'étalonnage (ii.l) décrit ci- dessus, la figure 5 montre que les énergies issues de ces barreaux se prêtent bien à une approximation par une fonction de type E_pic (x) = Ε0*εχρ(βχ).

On aurait donc :

El _pic (x) = EOi _pic *εχρ(-β1 *χ)

E2 _pic (x)= EO ₂ _pic *εχρ(β2*χ)

Pour ce CAS 1 particulier, les fonctions d'étalonnage simples sans coefficients suivantes peuvent donc être employées :

Fcicmin El pïCmin.x *E2 pïCmin.x C _m i _n

Fcicmax El piCmax.x *E2 piCmax.x C _max

La démarche de calcul de la constante dans le cas de la fonction Fa _Cm m est explicitée ci- après.

La constante est choisie par une procédure informatique de façon à ce que la fonction d'erreur définie comme suit soit minimale : CFFOF min El pÎCmin,x *E2 pÎCmin,x CïWÎïï

On fait varier la constante Cmin afin de minimiser la fonction objective d'optimisation

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error _m i _n (∑error _m i _n → 0) pour toutes les positions x considérées. Les valeurs des pics photoélectriques en fonction de la position de scintillation sont celles issues de la procédure d'étalonnage.

A l'issue de ce calcul, une valeur optimale pour Cmin est obtenue.

Le calcul de la constante pour limiter l'énergie maximum s'effectue selon le même principe, avec la fonction d'erreur :

QTTOT _max El pic max, x *E2 piCmax.x ^~ CîYlClX

A l'issue de ce calcul, la valeur optimale pour Cmax est obtenue.

Dans cette méthode des seuils constants, Fa _Cm m & Fa _Cma x expriment un seuil d'énergie minimale Cmin, et, de préférence, un seuil d'énergie maximale Cmax, qui sont constants quelle que soit la position ou l'abscisse (x). CAS 2 :

Selon une alternative, E pic(x) peut être approximé par une fonction du type E(x)=Cl+

On aurait donc :

El _pic (x)=Cl+ EOi _ρίο *βχρ(-β1 *χ)

E2 _pic (x)=C2+ E0 ₂ _pic *exp 2*x)

Pour ce CAS 2 particulier, les fonctions d'étalonnage simples sans coefficients suivantes peuvent donc être employées :

FciCmin (Fl piCmin ~ clmin) *(E2 pic _m j _n - c2 _m i _n ) C _m i _n

Facmax = (El _pic _max - clmax) *(E2 _pic max c2 max) C _ma x

Le calcul des constantes s'effectue comme expliqué ci-dessus dans le CAS 1.

Dans les deux cas E0i _pic et EO2 _pic sont avantageusement déterminés par étalonnage.

❖ Définition de F _B (E 1 et/pu E2) _. 1 ,ç) _.

En préalable au tri selon l'étape (ii.2), on définit une fonction d'énergie F _E min (El et/ou E2) dont l'image est comparée à Cmin et éventuellement aussi une fonction d'énergie F _E max (El et/ou E2) dont l'image est comparée à Cmax lors du tri (ii.2).

De préférence, F _E min(El et/ou E2) est de la même forme que la fonction de seuillage Fa _Cmin et F _E max(El et/ou E2) est de la même forme que la fonction de seuillage Fa _Cmax .

Dans le CAS 1 visé au point précédent, il n'y a qu'une seule fonction d'énergie qui est :

F _E min = F _E max = El *E2

Dans le CAS 2 visé au point précédent, il y a deux fonctions d'énergie qui sont: F _E min = (El - cl _min ) * (E2 - c2 _min )

F _E max = (El - cl _max ) * (E2 - c2 _max )

*♦* T ^r i selon l'étape _.. (ii _. .2)

Durant le fonctionnement du dispositif d'imagerie TEP mettant en œuvre le procédé d'acquisition selon l'invention, les conditions suivantes sont vérifiées pour chaque interaction reçue :

Fgmin (El et E2) > Cmin

Fsmax (El et E2) < Cmax

Si les deux conditions sont respectées, l'interaction est considérée comme photoélectrique ; elle est ensuite transmise à l'unité (4) de calcul des coïncidences. Dans le cas contraire (au moins une des conditions n'est pas respectée), l'interaction est rejetée et n'est pas transmise à l'unité (4) de calcul des coïncidences.

Selon l'exemple présenté précédemment (CAS 1), la fonction d'énergie est :

F _E (E1, E2) = E1 *E2

et le tri s'opère par vérification des inégalités suivantes:

El *E2≤C _max

Les figures 6 & 7 montrent une série d'acquisitions obtenue avec un barreau particulier présenté comme exemple. Cette série a été obtenue à l'aide de l'installation montrée à la figure 4, en procédant comme suit : la source radioactive (14) est disposée au dessus du centre du barreau à mesurer (3). Le système de collimation (15,16) n'est pas actif. Les interactions dans le barreau sont mesurées sans déplacement supplémentaire de la source. La figure 6 représente les valeurs de E1 *E2 calculées durant l'acquisition en fonction de leur position (x) d'interaction. La méthode de tri n'est pas active pour cette acquisition. Il ressort de ces figures 6 & 7 que les effets photoélectriques sont regroupés autour d'une même valeur (2750) tout le long du barreau ainsi qu'une plus forte concentration d'effet Compton (d'énergie inférieure que celle des interactions photoélectriques) sur les extrémités des barreaux.

Il est donc possible de définir 2 seuils fixes (un seuil maximal Cmax et un seuil minimal Cmin) afin de ne conserver que les effets photoélectriques. Ces seuils sont calculés avec un coefficient k _m i _n = 0,73 et k _max = 1,27.

La figure 7 montre le même type d'acquisition mais avec la méthode de filtrage des effets Compton active. Il est visible que l'on ne conserve plus que les interactions comprises entre les deux seuils énergétiques, c'est-à-dire une large majorité des interactions photoélectriques. Cet exemple particulier est applicable pour des barreaux de mesure (3) soumis à certains traitements/usinages, de sorte que les profils en énergie soient exponentiels et symétriques. Cette méthode est particulièrement bien adaptée à l'implémentation embarquée dans un dispositif d'imagerie TEP, car elle permet le tri des effets Compton et photoélectrique par un calcul simple et est facilement implantable dans une chaîne électronique. Elle est facilement réalisable sur un système embarqué (par exemple un DSP (Digital Signal Processor) ou bien un FPGA (Field Programmable Gâte Array) ou bien un autre système de calcul embarqué, car il ne demande pas d'opérations complexes (uniquement des multiplications et comparaisons en nombres entiers).

-B- Forme de mise en œuyre du procédé selon l'invention avec calcul (ii.l .b) des fonctions de seuillage F _rmil1 & F _rm „, par la méthode des seuils variables

❖ Calcul _. de _.. la _. ou _.. des _.. fonctions _.. de _.. seuillage _... (ii.l ,b)_ par _.. la _.. méthode _. des _.. seuils variables

La méthode des seuils variables consiste à déterminer une fonction de seuillage Fb _Cmm , et éventuellement, une fonction de seuillage Fb _Cmax telles que :

EÔcmin (X) = Esum pïCmin x [3]

Esum pïCmax x [4] avec

E _SU m_piCmin,x est la valeur de E _sum _pic _m i _n à la valeur de x

E _SU m_piCmax,x est la valeur de E _sum _pic _max à la valeur de x et, préférentiellement

Esum PïCmin x E _S um pÎC.x ^~ * Esum _pic,x

Esum P^C max x E _S um piCx ^~ ^ ^~ M * Esum _pic,x

où n est un coefficient qui dépend de la largeur de la fenêtre en énergie souhaitée, compris de préférence entre 1 et 2. ou

Esum PïCmin x E _S um piCx *kmin

Esum PIC max x E _S um piCx *kmax ou kmin est compris entre 0 et 1, de préférence entre 0,7 et 0,9, et correspond à la fraction minimale de l'énergie à partir de laquelle l'interaction est considérée comme photoélectrique, et

kmax est supérieur à 1 et correspond à la fraction maximale de l'énergie en dessous de laquelle l'interaction est considérée comme photoélectrique ;

ladite méthode consistant à mettre en œuvre les étapes suivantes :

(ii.l .b.l) Calcul de EsumjDÏCmin.x et de E _sum _pic _max , _x pour chaque valeur de (x);

(ii.l .b.2) Détermination de la fonction de seuillage Fb _Cm in, par approximation à partir des calculs de E _sum _picmin,x et éventuellement, détermination de la fonction de seuillage Fb _Cm ax, par approximation à partir des calculs de Esumjicmin.x-

Cette méthode se base sur le calcul des limites haute [Cmax donnée par Fb _Cm ax ] et basse [Cmin donnée par Fb _Cm in ] de la somme de l'énergie totale E _sum _pic mesurée dans le barreau (3). Cette énergie totale E _sum _pic qui dépend de l'énergie qu'a déposée le photon et de la position (x) d'interaction :

Dans cette méthode, il s'agit donc de trouver deux fonctions Fb _Cm in (x) et Fb _Cm ax (x) telles que :

Fbcmin (X) = Esum pïC -•nmin x

Fbcmax (X) = -■maxx

On préfère donc, selon l'invention, utiliser E _sum _pic plutôt que El _pic et E2 _pic, pour déterminer les fonctions de seuil minimale Fb _Cm in (x) et maximale Fb _Cm ax (x). Etape (ii. l .b. l) :On détermine dans, les valeurs de E _sum _pic pour chaque position (x). Pour cela, on préfère, selon l'invention, utiliser les histogrammes de la somme déterminés lors de l'étape d'étalonnage (ii. l .a). Chaque histogramme pour chaque position (x) est avantageusement approximé par une gaussienne. On obtient donc les paramètres de la gaussienne qui sont :

E _sum _pic pour la valeur centrale et ogsum pour Γ écart-type

A partir de ces valeurs, les valeurs de E _sum _pic _min,x et E _sum _pic _ma x _, x sont déterminées de manière appropriée pour chaque valeur de (x) mesurée.

Conformément à l'invention, deux manières ml & m2 avantageuses, parmi d'autres, peuvent être envisagées.

Manière ml_

Esum pïCminx E _S um piCx ^~ * Esum,x

Esum jjicmaxx = Esum _pic _x + n*o _Es um,x

Où n est un coefficient qui dépend de la largeur de la fenêtre en énergie souhaitée. Par exemple n = (2*ln(5)) ~ 1.794 afin d'effectuer un fenêtrage à 1/5 de la hauteur du pic de distribution. Ce type de calcul permet de tenir compte d'une part de la valeur énergétique du pic photoélectrique à chaque position x mais aussi de la résolution en énergie à cette position.

La figure 8 annexée montre le résultat de cette méthode à partir de mesures de calibration.

La courbe Fb _Cmin (x) = E _sum _pic _mi „ _rX = E _sum _pic _x - n*o _Es um,x est la fonction de seuillage minimal en fonction de (x).

La courbe ! ^¾¾ Fb _Cma x (x) = E _sum _pic _max ,x = E _sum _pic _x + n*o _EsU m,x est la fonction de seuillage maximal en fonction de (x).

La courbe est la fonction d'origine E _sum _pic (x).

Manière m.2

Cette manière de calculer Esum _pic _min , _x et Esum _pic _max , _x est basée sur la proportion en énergie :

Esum _pic _m in _iX = Esum _pic _x *k _n

Esum _pic _max , _x = Esum _pic _x *k ^,max

kmin est compris entre 0 et 1 , de préférence entre 0,7 et 0,9, et correspond à la fraction minimale de l'énergie à partir de laquelle l'interaction est considérée comme photoélectrique.

K _max est supérieur à 1 et correspond à la fraction maximale de l'énergie en dessous de laquelle l'interaction est considérée comme photoélectrique.

Etape (ii.l .b.2): Une fois Esum _pic _min et Esum _pic _max calculées pour chaque valeur de x, il reste à trouver une fonction qui approxime au mieux les courbes minimales et maximales obtenues.

Dans l'exemple présenté sur la figure 8, une approximation par des polynômes du 2 ^eme ordre peut être réalisé

Fbcmax (x) = cl max * x ² + c2 max * x + c3, max

❖ Définition de F _E (E 1 et/ou. E2). (ii ..1 _: c)

Pour cette méthode, la fonction d'énergie est toujours la même :

F _E (E1, E2) = E1 + E2

*♦* T ^r i selon l'étape (ii.2)

Avantageusement, l'étape de tri (ii.2) comprend les sous-étapes suivantes:

î. évaluation de la position (x) à partir des valeurs des énergies mesurées El et E2. 2. Calcul des seuils Cmin et Cmax , pour cette position (x) à l'aide des fonctions d'approximation Fb _Cm in (x) et Fb _Cm ax (x).

Ces sous-étapes sont suivies par les autres sous-étapes du tri (ii.2) mentionné ci-avant, à savoir :

3. Comparaison avec les seuils Cmin et Cmax de la somme des énergies (I=E1+E2) qui est l'image I par la fonction d'énergie F _E (E1 et/ouE2),

4. élimination de l'interaction si I < Cmin ou si I > Cmax,

5. traitement dans un module de détermination des coïncidences, si I > Cmin et si I < Cmax.

On détaille ci-après _. les _. sous-étapes _. (ii ,2.1 ) _. _( _.2,2) _(ii .2.3 ) _. (ii .2.4)& _(ii, 2.5 ) :

.(ii-2, 1) Il s'agit tout d'abord d'estimer la position (x) d'interaction de la scintillation. Cette position (x) doit être estimée à partir des énergies El et E2 du signal (impulsion) reçu. Il existe plusieurs fonctions afin d'estimer cette position, cette fonction est à définir à partir des courbes d'étalonnage.

Dans l'exemple déjà présenté précédemment, la position (x) de scintillation est, de préférence, évaluée comme suit :

Ce calcul provient de l'approximation par des fonctions exponentielles des courbes El (x) et E2 (x) s 'exprimant de préférence de la façon suivante :

(ii.2,_2) Une fois que la position est estimée (c-à-d la valeur de x), les valeurs des limites haute et basse de l'énergie sont calculées à cette position, grâce aux fonctions calculées précédemment :

Esunimin = Fb _Cm in (x)

Esunimax = Fb _Cma x (x)

Dans l'exemple déjà présenté précédemment,

EsU flfnin clmin X c2 _{m n} X ^~ t ^~ cSmin

EsUïtlmax l max * c2 _max * X + c3 _ma x

(ii,2,3) Il reste alors à comparer la valeur Esum = El + E2 de l'interaction obtenue avec ces deux seuils :

Esum≥ Esunimin

Esum < Esum _max

_. (ii-2,4) si Esum est hors de ces deux limites, l'interaction est rejetée. .(U _. -2.5) si Esum est comprise entre les deux limites, l'interaction est considérée comme photoélectrique. Elle est donc transmise à l'unité (4) de calcul des coïncidences.

Ainsi, cette invention inclut également :

- un procédé perfectionné de détermination de la DOI pour estimer la position de l'impact d'un photon gamma dans un barreau monocristal détecteur de photons gamma, de préférence de photons gamma d'annihilation pour dispositif d'imagerie TEP,

- un procédé perfectionné d'estimation des LORs dans le cadre d'un procédé d'imagerie TEP,

ou un procédé d'imagerie TEP,

intégrant le procédé d'acquisition selon l'invention, tel que défini ci-dessus.

Cette invention permet une meilleure mesure des interactions photoélectriques dans un cristal scintillateur. Son application principale est l'imagerie nucléaire médicale TEP. Elle a donc aussi pour objet un dispositif pour la mise en œuvre de l'un au moins de ces procédés selon l'invention, ci-dessus définis.