L'invention se situe dans le domaine de l'imagerie par rayonnement ionisant, notamment par rayonnement X. Elle s'applique à l'imagerie médicale et au contrôle non destructif tel que le contrôle de bagages. Elle concerne un dispositif et un procédé de traitement d'un flux de photons.

Les systèmes d'imagerie par rayonnement X sont notamment utilisés pour le contrôle de bagages dans des aéroports ou dans des lieux sécurisés. Un tel système d'imagerie comprend une source de rayonnement X soumettant les bagages à un flux de photons X et un détecteur à semiconducteur recevant les photons X ayant traversé les bagages. En fonction de l'absorption du rayonnement X par les bagages, il est possible d'analyser le contenu des bagages. L'analyse du contenu des bagages et l'évaluation de sa dangerosité sont des étapes plus ou moins complexes et automatisées selon qu'il s'agit de bagages destinés à la soute ou de bagages transportés par les passagers en cabine. Dans les deux cas, les systèmes d'imagerie par rayonnement X ont pour objectif de détecter des substances dangereuses telles que des explosifs et des matières inflammables. Avec l'évolution des exigences en matière de sécurité, il devient nécessaire de pouvoir déterminer tout type de substance afin, par exemple, d'identifier la présence de plusieurs substances qui, combinées entre elles, peuvent produire des explosifs. Les détecteurs des systèmes d'imagerie par rayonnement X actuels comprennent généralement deux éléments sensibles superposés. Un premier élément sensible détecte les photons à relativement haute énergie et un deuxième élément sensible détecte les photons à relativement basse énergie. Ces détecteurs, dits bi-énergie, intègrent les photons sur toute la durée d'exposition et conduisent à la mesure de deux quantités de photons dans deux plages d'énergie différentes. Ils permettent principalement de différencier les matériaux organiques des matériaux inorganiques. Ils permettent également de déterminer la densité des matériaux traversés par les photons X et donc leur composition. Cependant, cette détermination de densité n'est pas précise et conduit à des ambiguïtés de détection. Une raison de ce manque de précision vient du fait que les plages d'énergie des deux éléments sensibles se recouvrent partiellement. En pratique, les systèmes d'imagerie par rayonnement X actuels peuvent difficilement différencier, parmi les matériaux organiques, certains matériaux d'usage courant de matériaux explosifs.

Plus récemment, des systèmes d'imagerie par rayonnement X ont été développés afin de s'approcher d'une mesure spectrométrique en énergie d'un flux de photons. Ces systèmes comportent plusieurs circuits de traitement chacun adaptés à une plage d'énergie donnée. Certains systèmes comportent jusqu'à 8 circuits de traitement. Cependant, ces systèmes présentent l'inconvénient de n'être adaptés que pour un certain flux de photons. Or, compte tenu de la diversité des matériaux présents dans les bagages, le flux de photons peut typiquement varier entre 10 ⁴ et 10 ⁸ photons par millimètre carré et par seconde, soit un rapport de 10 ⁴ . Si le système d'imagerie est adapté à un flux de photons relativement faible, un flux de photons plus important conduit à une fonction de comptage dégradée, les photons n'étant plus comptés individuellement. Il en résulte une image dégradée. A l'inverse, si le système d'imagerie est adapté à un flux de photons relativement important, la mesure de l'énergie de chaque photon est moins précise, quel que soit le flux de photons reçu.

Un but de l'invention est notamment de remédier à tout ou partie des inconvénients précités en permettant une mesure spectrométrique en énergie d'un flux de photons adaptée à ce flux de photons. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de traitement pour une mesure spectrométrique en énergie d'un flux de photons pouvant être reçu par un élément photosensible d'un détecteur. Le procédé comporte les étapes successives suivantes :

^■ convertir chaque photon reçu par l'élément photosensible en un signal électrique dont une caractéristique est représentative de l'énergie du photon considéré,

^■ filtrer chaque signal électrique par un premier filtre passe-bas dont la fréquence de coupure est ajustée en fonction du flux de photons, plus le flux étant important, plus la fréquence de coupure étant haute,

■ déterminer la caractéristique de chaque signal électrique filtré, ^■ générer un spectre en énergie pour le flux de photons reçu en fonction de la caractéristique des signaux électriques filtrés, et

^■ filtrer le spectre en énergie par un deuxième filtre passe-bas dont la fréquence de coupure est ajustée en fonction du flux de photons, plus le flux étant important, plus la fréquence de coupure étant basse.

Le spectre en énergie peut être généré sous forme d'un histogramme dans lequel les classes sont des plages d'énergie distinctes, l'occurrence de chaque classe étant le nombre de photons dont l'énergie est comprise dans la plage d'énergie de la classe considérée. La génération du spectre sous forme d'un histogramme permet d'ajuster la fréquence de coupure du deuxième filtre passe-bas en déterminant simplement le nombre de classes de l'histogramme, plus le flux étant important, moins l'histogramme comportant de classes.

Selon une forme particulière de réalisation, chaque photon reçu par l'élément photosensible est converti en une impulsion dont l'intégrale est proportionnelle à l'énergie du photon considéré. Lorsque le flux de photons est reçu pendant des intervalles d'acquisition prédéterminés et successifs, les fréquences de coupure du premier et du deuxième filtre passe-bas peuvent être ajustées, pour un intervalle d'acquisition donné, en fonction du flux de photons déterminé pour le précédent intervalle d'acquisition.

Le flux de photons est par exemple déterminé par les étapes suivantes :

^■ déterminer l'énergie photonique totale E _T reçue par l'élément photosensible pendant le précédent intervalle d'acquisition,

■ déterminer l'énergie photonique moyenne E _M des photons reçus par l'élément photosensible pendant le précédent intervalle d'acquisition,

^■ déterminer le rapport N _e ft de l'énergie photonique totale E _T sur l'énergie photonique moyenne E _M , le quotient dudit rapport N _eff sur une durée du précédent intervalle d'acquisition donnant le flux de photons. L'invention a également pour objet un dispositif de traitement pour une mesure spectrométrique en énergie d'un flux de photons pouvant être reçu par un élément photosensible d'un détecteur, l'élément photosensible convertissant chaque photon en un signal électrique dont une caractéristique est représentative de l'énergie du photon reçu. Le dispositif comporte :

^■ un circuit de mise en forme comprenant un premier filtre passe-bas filtrant chaque signal électrique, la fréquence de coupure du premier filtre passe-bas étant ajustée en fonction du flux de photons, plus le flux étant important, plus la fréquence de coupure étant haute,

■ un circuit de mesure déterminant la caractéristique de chaque signal électrique filtré,

^■ un circuit de construction de spectres générant un spectre en énergie pour le flux de photons reçu en fonction de la caractéristique des signaux électriques filtrés, et

■ un filtre de lissage comprenant un deuxième filtre passe-bas filtrant le spectre en énergie, la fréquence de coupure du deuxième filtre passe-bas étant ajustée en fonction du flux de photons, plus le flux étant important, plus la fréquence de coupure étant basse. L'invention a notamment pour avantage qu'elle permet de conserver une qualité d'image sensiblement constante quel que soit le flux de photons reçu. En outre, l'analyse de la composition des objets par mesure spectrométrique peut également être sensiblement constante. En effet, un objet peu atténuant, conduisant à un flux de photons relativement important et à une analyse spectrale en énergie relativement difficile, ne comporte généralement que peu de matériaux à identifier. A l'inverse, un objet fortement atténuant, conduisant à un flux de photons relativement faible et à une analyse spectrale relativement aisée, comporte généralement plusieurs matériaux à identifier.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, faite en regard de dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 représente schématiquement un système d'imagerie par rayonnement X pour le contrôle de bagages ; - la figure 2 représente, par un synoptique, un exemple de dispositif de traitement selon l'invention ;

- la figure 3 représente, sous forme d'un diagramme, un exemple de procédé de traitement selon l'invention.

L'invention s'applique à l'imagerie médicale et au contrôle non destructif d'objets par rayonnement ionisant. Elle concerne en particulier les systèmes d'imagerie par rayonnement X de moyenne énergie, c'est-à-dire d'énergie comprise entre environ 20 keV et 180 keV, et à fort flux de photons, c'est-à-dire dont le flux est compris entre 10 ⁴ et 10 ⁸ photons par millimètre carré et par seconde.

La figure 1 représente schématiquement un système d'imagerie par rayonnement X pour le contrôle de bagages. Le système d'imagerie 10 comprend une source de rayons X 1 1 , un tapis roulant 12 apte à transporter des bagages 13 dans la direction représentée par la flèche 14, un détecteur à semi-conducteur 15 et un dispositif de traitement 16 connecté au détecteur 15. Le détecteur 15 représenté sur la figure 1 est un détecteur linéaire en L. Il comprend des éléments photosensibles tels que des photodiodes ou des photoconducteurs disposés sur deux lignes perpendiculaires entre elles. Le détecteur 15 peut également être un détecteur à deux dimensions et comporter une matrice d'éléments photosensibles. Lorsqu'un élément photosensible du détecteur 15 est exposé à un photon X, il convertit ce photon X en un paquet de charges dont le nombre est proportionnel à l'énergie du photon. La source de rayons X émet un flux de photons en direction du détecteur 15 à travers le tapis roulant 12. Le spectre du flux de rayons X reçu en l'absence d'objets est déterminé préalablement à l'analyse d'objets. Ainsi, par comparaison de ce spectre avec le spectre du flux de rayons X reçu en présence d'un objet à analyser, il est possible de déterminer le flux de rayons X absorbé par l'objet à analyser.

La figure 2 représente, par un synoptique, un exemple de dispositif de traitement selon l'invention. Le dispositif de traitement 16 comprend un préamplificateur 161 de type intégrateur, un circuit de mise en forme 162, un circuit de mesure 163, un générateur de spectre 164 et un filtre de lissage 165 formant une chaîne de traitement. Le dispositif de traitement 16 peut soit comporter une seule chaîne de traitement pour l'ensemble des éléments photosensibles du détecteur 15, auquel cas les paquets de charges issus des différents éléments photosensibles sont traités successivement, soit comporter une chaîne de traitement pour chaque élément photosensible, auquel cas les paquets de charges sont traités simultanément. Le préamplificateur 161 est apte à recevoir les paquets de charge d'un élément photosensible du détecteur 15 et à transformer chaque paquet de charges en une impulsion de tension dont l'intégrale est proportionnelle au nombre de charges du paquet de charges. L'intégrale de chaque impulsion de tension est donc proportionnelle à l'énergie de chaque photon X reçu. Le circuit de mise en forme 162 filtre chaque impulsion de tension, comme expliqué ci-dessous, et le circuit de mesure 163 détermine les caractéristiques de chaque impulsion de tension filtrée. En particulier, le circuit de mesure 163 peut déterminer l'amplitude maximale de chaque impulsion de tension et son intégrale. Un flux de rayons X peut être reçu soit de façon discontinue pendant une durée d'acquisition donnée, soit de façon continue dans le temps. Dans ce dernier cas, la réception des photons X est découpée dans le temps en des acquisitions successives. Le générateur de spectre 164 construit, pour chaque acquisition et pour chaque élément photosensible, un spectre en énergie des photons X reçus pendant la durée de cette acquisition par l'élément photosensible considéré. Un spectre en énergie peut être représenté sous forme d'un histogramme dans lequel les classes sont des plages d'énergie distinctes, l'occurrence de chaque classe étant le nombre de photons X dont l'énergie est comprise dans la plage d'énergie de la classe considérée. Dans le dispositif de traitement 16 décrit en référence à la figure 2, l'énergie des photons X est convertie en une impulsion de tension dont l'intégrale dépend de l'énergie des photons X. Le spectre en énergie peut donc être construit en regroupant les impulsions de tension dans différentes classes en fonction de leur intégrale. Il est possible, lors de la génération des spectres en énergie, de ne pas prendre en compte des impulsions de tension dont les propriétés (largeur, forme, etc.) ne semblent pas cohérentes. Un facteur multiplicatif peut être appliqué afin de compenser la non-prise en compte de ces impulsions de tension. Le filtre de lissage 165 filtre le spectre en énergie, comme expliqué ci-dessous. L'invention n'est pas seulement applicable aux systèmes d'imagerie dans lesquels les détecteurs convertissent les photons X en paquets de charges. Elle s'applique à tout système d'imagerie dans lequel l'ensemble détecteur- dispositif de traitement convertit un photon en un signal électrique dont au moins une caractéristique est représentative de l'énergie du photon reçu. Le signal électrique peut être aussi bien un signal analogique qu'un signal numérique. Il s'agit par exemple d'un signal impulsionnel. Le dispositif de traitement traite alors ces signaux afin de construire un spectre en énergie à partir de leur caractéristique.

Dans le dispositif de traitement selon l'invention, le circuit de mise en forme 62 comporte un filtre passe-bas dont la fréquence de coupure est ajustée en fonction du flux de photons X. Plus le flux de photons X est important, et plus la fréquence de coupure est haute. Autrement dit, plus les photons X arrivent à une fréquence moyenne élevée sur les éléments photosensibles du détecteur 15, et plus l'impulsion de tension doit être considérée sur une courte durée afin d'éviter les empilements. On parle d'empilement lorsque deux photons X sont reçus dans une durée trop courte pour pouvoir traiter chaque photon séparément. Pour un flux de photons X relativement faible, la mesure de l'intégrale d'une impulsion filtrée peut être précise et peu b mitée. Le spectre en énergie généré pour l'ensemble du flux de photons X d'une acquisition donnée peut donc être faiblement bruité. On parle de spectrométrie fine. A l'inverse, pour un flux de photons X relativement important, la mesure de l'intégrale d'une impulsion filtrée est relativement bruitée. Le spectre en énergie généré pour l'ensemble du flux de photons X d'une acquisition donnée est donc moins précis. Toutefois, la fréquence de coupure plus haute permet d'assurer correctement la fonction de comptage des photons X. L'image obtenue par comptage des photons X reçus par les différents éléments photosensibles du détecteur 15 n'est donc pas dégradée. L'ajustement de la fréquence de coupure du filtre passe-bas en fonction du flux de photons reçu permet donc de conserver une qualité d'image sensiblement constante quel que soit le flux de photons reçu. En ce qui concerne la mesure spectrométrique, un objet fortement atténuant conduit à une spectrométrie fine, et un objet moins atténuant conduit à une spectrométrie dégradée. Une analyse des matériaux constituant un objet basée sur les spectres en énergie générés pour les différents éléments photosensibles est donc moins précise pour un objet peu atténuant que pour un objet fortement atténuant. Néanmoins, un objet peu atténuant ne comprend généralement que peu de matériaux superposés. Leur identification en est donc facilitée. A l'inverse, si l'objet est fortement atténuant, cela est généralement dû au fait qu'il comprend de nombreux matériaux superposés. Le flux de rayons X reçu est alors moins important et conduit à une spectrométrie plus fine. Les différents matériaux peuvent donc encore être identifiés. La fréquence de coupure du filtre passe-bas du circuit de mise en forme 162 peut être ajustée soit individuellement pour chaque élément photosensible du détecteur 15 en fonction du flux de photons X reçu par cet élément photosensible, soit globalement pour tous les éléments photosensibles du détecteur 15 en fonction du flux moyen de photons X reçu par l'ensemble ou une partie des éléments photosensibles du détecteur 15.

Dans le cas d'acquisitions successives dans le temps, le flux de photons X considéré pour la détermination de la fréquence de coupure pour une acquisition donnée, d'ordre A, peut être le flux de photons déterminé lors de l'acquisition précédente, d'ordre A-1 . Pour des applications de contrôle de bagages où les bagages se déplacent à vitesse constante, chaque acquisition correspond à une longueur de l'ordre du millimètre. Cette longueur étant relativement faible par rapport à la longueur des objets à analyser, la variation du flux de photons est relativement faible et conduit à une bonne approximation du flux de photons pour l'acquisition courante.

Le flux de photons X reçu par chaque élément photosensible du détecteur 15 peut être déterminé selon deux modes de réalisation. Selon un premier mode de réalisation, on détermine dans une première étape l'énergie photonique totale E _T reçue. Cette énergie correspond à l'intégrale du signal délivré par l'élément photosensible considéré lors de l'acquisition précédente. Elle peut être déterminée par l'équation suivante :

P-l avec s _t le t-ième échantillon de signal, et P le nombre d'échantillons dans l'acquisition. Dans une deuxième étape, on détermine l'énergie photonique moyenne E _M des photons X reçus. Cette énergie peut être déterminée par l'équation suivante :

C-l

∑ ^E i ^N i

ηΜ - C-l i=0

avec E| la i-ème classe d'énergie, N, le nombre de photons (occurrences) dans cette classe d'énergie, et C le nombre de classes d'énergie.

Dans une troisième étape, on détermine le rapport de l'énergie photonique totale E _T sur l'énergie photonique moyenne E _M . Ce rapport N _eff correspond au nombre effectif de photons X reçus lors de l'acquisition précédente. Connaissant la durée de cette acquisition, il est possible d'en déduire le flux de photons X. Ce premier mode de réalisation présente l'avantage de ne pas nécessiter d'étalonnage.

Selon un deuxième mode de réalisation, on détermine dans une première étape l'énergie photonique totale E _T reçue, comme indiqué précédemment. Dans une deuxième étape, on détermine le flux de photons X reçu à partir de cette intégrale et d'une table de valeurs prédéterminée. La table de valeurs est établie au préalable lors d'un étalonnage. L'étalonnage consiste à déterminer, pour différents niveaux de flux de photons, l'intégrale du signal associé à chaque niveau de flux de photons. Ce deuxième mode de réalisation présente l'avantage de nécessiter peu de calcul en temps réel.

L'ajustement de la fréquence de coupure du filtre passe-bas du circuit de mise en forme 162 permet une adaptation au flux de photons X reçu à un premier niveau. Le dispositif de traitement 16 selon l'invention peut en outre être adapté au flux de photons X à un deuxième niveau, à savoir au niveau de la génération du spectre en énergie. A cet effet, le spectre en énergie est lissé par le filtre de lissage 165 comprenant un filtre passe-bas dont la fréquence de coupure est ajustée en fonction du flux de photons X. Plus le flux de photons X est important, et plus la fréquence de coupure est basse. Le filtre passe-bas peut par exemple être réalisé par un ajustement du nombre de classes du spectre en énergie. Plus le flux de photons X est important, et plus le nombre de classes est réduit, les plages d'énergie étant alors élargies.

La figure 3 représente, sous forme d'un diagramme, un exemple de procédé de traitement selon l'invention. Dans ce procédé, les fréquences de coupure des filtrages réalisés pour la construction du spectre en énergie sont ajustées en fonction du niveau du flux de photons. Le niveau du flux de photons est par exemple déterminé lors de la précédente acquisition. Sur la figure 3, il est représenté symboliquement par une jauge 30 pouvant prendre différentes valeurs entre un niveau de flux minimum et un niveau de flux maximum. Dans une première étape 31 , chaque photon reçu par un élément photosensible est converti en un signal électrique dont une caractéristique est représentative de son énergie. Le signal électrique est par exemple une impulsion de tension. Dans une deuxième étape 32, chaque impulsion de tension ou, plus généralement, chaque signal électrique dont une caractéristique est représentative de l'énergie du photon reçu, est filtré par le filtre passe-bas du circuit de mise en forme 162. Plus le niveau du flux de photons X est important, et plus la fréquence de coupure de ce filtre passe- bas est haute. Sur la figure 3, l'impact du filtre est représenté sous forme de deux graphiques 321 et 322. Le premier graphique 321 correspond à un faible niveau de flux, et donc à une fréquence de coupure basse. Le deuxième graphique 322 correspond à un fort niveau de flux, et donc à une fréquence de coupure haute. Dans le domaine temporel, une fréquence de coupure basse donne un signal dont la forme est étalée dans le temps, et une fréquence de coupure haute donne un signal de plus grande amplitude moins étalé dans le temps. Dans une troisième étape 33, l'intégrale de chaque impulsion ou, plus généralement, la caractéristique de chaque signal électrique est déterminée. Dans une quatrième étape 34, un spectre en énergie est construit pour chaque acquisition et pour chaque élément photosensible. Chaque spectre est construit en fonction de la caractéristique des différents signaux électriques de l'acquisition. Dans une cinquième étape 35, les spectres en énergie sont filtrés par un filtre passe-bas. Plus le flux de photons est important, et plus la fréquence de coupure de ce filtre est basse. Sur la figure 3, deux spectres en énergie 351 et 352 sont représentés. Le premier spectre 351 représente un exemple de spectre filtré obtenu pour un faible niveau de flux. Le deuxième spectre 352 représente un exemple de spectre filtré obtenu pour un fort niveau de flux. La résolution du spectre 351 est nettement inférieure à celle du spectre 352. Différentes opérations de traitement du signal peuvent être réalisées à l'issue de la construction des spectres en énergie. Il s'agit par exemple d'une correction des empilements, c'est-à-dire la suppression, par traitement, de deux photons successifs convertis en un seul signal électrique, dont les caractéristiques permettent de l'identifier comme tel. Il peut également s'agir d'une correction du partage des charges, c'est-à-dire la reconstruction d'une seule impulsion à partir de deux impulsions issues d'un seul photon reçu par deux éléments photosensibles adjacents. Dans la mesure où les impulsions de tension des forts flux sont filtrées avec une fréquence de coupure haute, c'est-à-dire avec une constante de temps courte, une correction des empilements et une correction du partage des charges peuvent presque toujours être réalisées.