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

Plan de la présentation Principe de la TEP Objectif & démarche de la thèse Développement d’un couple {détecteur-électronique de traitement} dédié Évaluation expérimentale des performances temporelles Évaluation par simulation des performances spatiales Bilan & Perspectives

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Principe de la TEP (1/2) La tomographie par émission de positons (TEP) est un mode d’imagerie médicale fonctionnelle ( anatomique) offrant une bonne résolution spatiale grâce au principe de coïncidence. Intérêt croissant pour ce mode d’imagerie grâce à l’étude de l’expression du génome (souris transgéniques…). Les étapes d’une acquisition TEP : Production de l’isotope radioactif (15O,18F…) Radiosynthèse (18FDG…) Injection du traceur par voie intra-veineuse Émission des rayonnements  (dés. +) Détection des rayons  en coïncidence : Reconstruction d’images (ensemble de coupes)

Exigences sur le détecteur TEP : Principe de la TEP (2/2) Exigences sur le détecteur TEP :

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Objectif & démarche de la thèse (1/2) Enjeu scientifique : - Systèmes TEP actuels mal adaptés à l’imagerie petit animal : résolution spatiale insuffisante Détecteurs CZT Résolution spatiale < 1mm - Atout majeur des détecteurs semi-conducteurs : segmentation possible des électrodes. TEP petit animal Détecteur LSO ou GSO Résolution spatiale limitée à 2 mm  Objectif de la thèse : Évaluer la faisabilité d’un système d’imagerie TEP dédié petit animal avec des détecteurs CdZnTe.

Importance pour animal Résolution temporelle Résolution énergétique Objectif & démarche de la thèse (2/2) Démarche : Déterminer les performances des détecteurs CdZnTe par rapport aux paramètres clés d’un TEP animal : 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€/cm3 Pouvoir d’arrêt modéré - photofr. 18%, L50% 12mm A évaluer ? uit Bonne résolution +++ qq1% Validation des atouts en résolution spatiale Amélioration de la sensibilité Évaluation de la résolution temporelle Séquence des actions :

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Couple {détecteur-électronique} dédié (1/3) Choix du matériau semi-conducteur : Candidat avec le meilleur compromis pour l’application : CdZnTe

Couple {détecteur-électronique} dédié (2/3) Choix de l’orientation des électrodes :  PTF : décorrélation efficacité d’absorption / vitesse de collecte des charges Géométrie des détecteurs utilisés :

Couple {détecteur-électronique} dédié (2/2) Développement d’une électronique de traitement dédiée au signal CZT :  Préampli de charges dérivateur détecteur CSP Signal Vs Préamplificateur de charges (CSP) : amplification faible bruit du signal par intégration. Dérivateur : reconstitution de l’impulsion initiale de charges présentant un front de montée rapide. 6ns Signal Vs pour dépôt 511keV : Temps de montée du signal : 6ns

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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.

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

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Évaluation des performances spatiales (1/6) Outil de simulation de la géométrie du détecteur : Penelope (Penetration and energy loss of positrons and electrons) Recherche du couple optimum {Rés. Spatiale ; Efficacité} Profondeur du détecteur Seuil énergétique Segmentation des électrodes Comparaison avec les cristaux scintillateurs du commerce (LSO) Géométrie simulée : Faisceau incident conique sur un voxel, source à 2m du détecteur Face d’entrée des voxels : 1x1mm² Profondeur variable Seuil par voxel Exemple : seuil 200keV, dépôt 511keV en 2 interactions. 350+161  1 déclenchement 256+255  2 déclenchements

Erreur de localisation Évaluation des performances spatiales (2/6) 1° série de simulation : étude paramétrique (sans prise en compte de la profondeur d’interaction) Étude n° Seuil énergétique Profondeur détecteur Type déclenchement Conclusions 1 511keV Variable Mono-décl. Efficacité insuffisante (~15% à partir de 40mm) 2 150keV Erreur de localisation 3 40mm Seuils faibles avantageux (~25keV) 4 25keV Multi-décl. Mono-décl majoritaires (50%), Bi-décl. 35% 5 Bi-décl. loc. Faible gain en efficacité (+5%) 1  Profondeur « optimisée » : 40mm  Seuil énergétique : faible valeur  Mono-déclenchements majoritaires

Évaluation des performances spatiales (3/6) 2° série de simulation : impact de la profondeur d’interaction Géométrie des systèmes simulés : Système LSO microPET : détecteurs Focus, couronne R4 Détecteur 19,2x19,2x10mm3, voxel 1,6x1,6x10mm3 Système CZT : détecteur 16x16x40mm3 Voxel : 1x1x4mm3

Profondeur d’interaction (DOI)  Évaluation des performances spatiales (4/6) Évaluation de la résolution spatiale : Profondeur d’interaction (DOI)  x Balayage de différentes positions sur l’axe 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.

Évaluation des performances spatiales (5/6) Représentation graphique de x pour le système LSO : 90° 75° 60° FWTM Représentation graphique de x pour le système CZT : 90° 75° 60° Mesure DOI 90° 75° 60°

Évaluation des performances spatiales (6/6) Avec la mesure de la profondeur d’interaction, le détecteur CZT peut potentiellement offrir une résolution spatiale supérieure à celle des détecteurs Focus. Nécessité d’améliorer l’efficacité de détection du système CZT.

Plan de la présentation Objectif & démarche de la thèse Principe de la TEP Mise au point d’un couple {détecteur-électronique de traitement} dédié Évaluation expérimentale des performances temporelles Évaluation par simulation des performances spatiales Bilan & Perspectives

Bilan & Perspectives Bilan : Perspectives : Résolution temporelle : FWHM300keV,500V = 3ns  TEP avec CZT réaliste. Simulation : mesure DOI indispensable pour le TEP petit animal  Intérêt confirmé du CZT pour l’application. Perspectives : Amélioration de l’efficacité de détection des détecteurs CZT  Prise en compte des bi-déclenchements.  Étude de géométries de détecteur alternatives. Validation expérimentale des résultats de simulation :  Réalisation d’un banc de mesures multi-voies.