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9 ème Journées Jeunes Chercheurs 1/?? Détecteurs semi-conducteurs CdZnTe pour la Tomographie par Émissions de Positons (TEP) du petit animal Arnaud Drezet.

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1 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 1/?? Détecteurs semi-conducteurs CdZnTe pour la Tomographie par Émissions de Positons (TEP) du petit animal Arnaud Drezet CEA Grenoble / LETI Département Systèmes pour lInformation et la Santé Service Biologie Santé Laboratoire Détecteurs de Rayonnements 9 èmes Journées Jeunes Chercheurs Aussois, 01/12/03

2 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 2/?? Plan de la présentation 1.Principe de la TEP 2.Objectif & démarche de la thèse 3.Développement dun couple {détecteur- électronique de traitement} dédié 4.Évaluation expérimentale des performances temporelles 5.Évaluation par simulation des performances spatiales 6.Bilan & Perspectives

3 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 3/?? Plan de la présentation 1.Principe de la TEP 2.Objectif & démarche de la thèse 3.Développement dun couple {détecteur- électronique de traitement} dédié 4.Évaluation expérimentale des performances temporelles 5.Évaluation par simulation des performances spatiales 6.Bilan & Perspectives

4 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 4/?? Principe de la TEP (1/2) La tomographie par émission de positons (TEP) est un mode dimagerie médicale fonctionnelle ( anatomique) offrant une bonne résolution spatiale grâce au principe de coïncidence. Intérêt croissant pour ce mode dimagerie grâce à létude de lexpression du génome (souris transgéniques…). Les étapes dune acquisition TEP : 1. Production de lisotope radioactif ( 15 O, 18 F…) 2. Radiosynthèse ( 18 FDG…) 3. Injection du traceur par voie intra-veineuse 4. Émission des rayonnements (dés. + ) 5. Détection des rayons en coïncidence : 6. Reconstruction dimages (ensemble de coupes)

5 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 5/?? Principe de la TEP (2/2) Exigences sur le détecteur TEP :

6 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 6/?? Plan de la présentation 1.Principe de la TEP 2.Objectif & démarche de la thèse 3.Développement dun couple {détecteur- électronique de traitement} dédié 4.Évaluation expérimentale des performances temporelles 5.Évaluation par simulation des performances spatiales 6.Bilan & Perspectives

7 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 7/?? Objectif & démarche de la thèse (1/2) Objectif de la thèse : Évaluer la faisabilité dun système dimagerie TEP dédié petit animal avec des détecteurs CdZnTe. Enjeu scientifique : - Systèmes TEP actuels mal adaptés à limagerie petit animal : résolution spatiale insuffisante TEP petit animal Détecteur LSO ou GSO Résolution spatiale limitée à 2 mm Détecteurs CZT Résolution spatiale < 1mm - Atout majeur des détecteurs semi-conducteurs : segmentation possible des électrodes.

8 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 8/?? Objectif & démarche de la thèse (2/2) Démarche : Déterminer les performances des détecteurs CdZnTe par rapport aux paramètres clés dun TEP animal : Séquence des actions : Paramètres TEP Importance pour animal Résolution spatiale ++++ car petites dim. anatomiques Coût +++ car imageurs trop chers Sensibilité ++ car examen rapide Résolution temporelle + car peu de fortuits Résolution énergétique + car peu de diffusés organe Spécificités CdZnTe Apports CdZnTe Segmentation 3D ++++ Électrodes pixellisables Système de faible diamètre + coût obj. 30/cm 3 Pouvoir darrêt modéré - photofr. 18%, L 50% 12mm A évaluer ? uit Bonne résolution +++ qq1% Évaluation de la résolution temporelle Validation des atouts en résolution spatiale Amélioration de la sensibilité

9 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 9/?? Plan de la présentation 1.Principe de la TEP 2.Objectif & démarche de la thèse 3.Développement dun couple {détecteur- électronique de traitement} dédié 4.Évaluation expérimentale des performances temporelles 5.Évaluation par simulation des performances spatiales 6.Bilan & Perspectives

10 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 10/?? Couple {détecteur-électronique} dédié (1/3) Candidat avec le meilleur compromis pour lapplication : CdZnTe Choix du matériau semi-conducteur :

11 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 11/?? Couple {détecteur-électronique} dédié (2/3) Choix de lorientation des électrodes : PTF : décorrélation efficacité dabsorption / vitesse de collecte des charges Géométrie des détecteurs utilisés :

12 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 12/?? Couple {détecteur-électronique} dédié (2/2) Développement dune électronique de traitement dédiée au signal CZT : Préamplificateur de charges (CSP) : amplification faible bruit du signal par intégration. Dérivateur : reconstitution de limpulsion initiale de charges présentant un front de montée rapide. Signal V s pour dépôt 511keV : Préampli de charges dérivateur détecteur CSP Signal V s Temps de montée du signal : 6ns 6ns

13 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 13/?? Plan de la présentation 1.Principe de la TEP 2.Objectif & démarche de la thèse 3.Développement dun couple {détecteur- électronique de traitement} dédié 4.Évaluation expérimentale des performances temporelles 5.Évaluation par simulation des performances spatiales 6.Bilan & Perspectives

14 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 14/?? Évaluation des performances temporelles (1/2) Montage expérimental : DFC : discriminateur à fraction constante, permettant de générer une impulsion logique quand le signal atteint son amplitude maximale, indépendamment de sa valeur. CTA : convertisseur temps amplitude. Résolution temporelle : Dispersion dans le temps du signal, généré par une interaction, à la sortie du dispositif de détection.

15 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 15/?? Évaluation des performances temporelles (2/2) Expérimentation : Principal résultat en coïncidence CZT/CZT : Tension optimale : 500V Temps de coïncidence : 3ns FWHM grâce au couple détecteur / électronique dédiée (études antérieures : 10ns FWHM) FWHM Tests sur 12 détecteurs. Grandeur mesurée : largeur à mi-hauteur de la gaussienne de coïncidence.

16 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 16/?? Plan de la présentation 1.Principe de la TEP 2.Objectif & démarche de la thèse 3.Développement dun couple {détecteur- électronique de traitement} dédié 4.Évaluation expérimentale des performances temporelles 5.Évaluation par simulation des performances spatiales 6.Bilan & Perspectives

17 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 17/?? Évaluation des performances spatiales (1/6) Profondeur du détecteur Seuil énergétique Segmentation des électrodes Recherche du couple optimum {Rés. Spatiale ; Efficacité} Comparaison avec les cristaux scintillateurs du commerce (LSO) Outil de simulation de la géométrie du détecteur : Penelope (Penetration and energy loss of positrons and electrons) Géométrie simulée : Faisceau incident conique sur un voxel, source à 2m du détecteur Face dentrée des voxels : 1x1mm² Seuil par voxel Profondeur variable Exemple : seuil 200keV, dépôt 511keV en 2 interactions déclenchement déclenchements

18 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 18/?? Évaluation des performances spatiales (2/6) 1° série de simulation : étude paramétrique (sans prise en compte de la profondeur dinteraction) 1 Étude n° Seuil énergétique Profondeur détecteur Type déclenchement Conclusions 1511keV Variable Mono-décl. Efficacité insuffisante (~15% à partir de 40mm) 2150keV Variable Mono-décl.Erreur de localisation 3 Variable 40mmMono-décl. Seuils faibles avantageux (~25keV) 425keVVariable Multi-décl. Mono-décl majoritaires (50%), Bi-décl. 35% 525keVVariable Bi-décl. loc. Faible gain en efficacité (+5%) Profondeur « optimisée » : 40mm Seuil énergétique : faible valeur Mono-déclenchements majoritaires

19 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 19/?? 2° série de simulation : impact de la profondeur dinteraction Évaluation des performances spatiales (3/6) Géométrie des systèmes simulés : Système LSO microPET : détecteurs Focus, couronne R4 Détecteur 19,2x19,2x10mm 3, voxel 1,6x1,6x10mm 3 Système CZT : détecteur 16x16x40mm 3 Voxel : 1x1x4mm 3

20 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 20/?? Évaluation des performances spatiales (4/6) Évaluation de la résolution spatiale : Balayage de différentes positions sur laxe X ( de 90° à 30°) Comptage du nombre de mono-déclenchements pour chaque valeur de projection x. Représentation graphique de la dispersion spatiale ainsi obtenue. x Profondeur dinteraction (DOI)

21 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 21/?? Évaluation des performances spatiales (5/6) Représentation graphique de x pour le système LSO : FWTM 90°75°60° Représentation graphique de x pour le système CZT : 90°75°60° Mesure DOI 90°75°60°

22 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 22/?? Évaluation des performances spatiales (6/6) Avec la mesure de la profondeur dinteraction, le détecteur CZT peut potentiellement offrir une résolution spatiale supérieure à celle des détecteurs Focus. Nécessité daméliorer lefficacité de détection du système CZT.

23 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 23/?? Plan de la présentation 1.Objectif & démarche de la thèse 2.Principe de la TEP 3.Mise au point dun couple {détecteur- électronique de traitement} dédié 4.Évaluation expérimentale des performances temporelles 5.Évaluation par simulation des performances spatiales 6.Bilan & Perspectives

24 9 ème Journées Jeunes Chercheurs 24/?? Bilan & Perspectives Bilan : Résolution temporelle : FWHM 300keV,500V = 3ns TEP avec CZT réaliste. Simulation : mesure DOI indispensable pour le TEP petit animal Intérêt confirmé du CZT pour lapplication. Perspectives : Amélioration de lefficacité de détection des détecteurs CZT Prise en compte des bi-déclenchements. Étude de géométries de détecteur alternatives. Validation expérimentale des résultats de simulation : Réalisation dun banc de mesures multi-voies.


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