DCOM

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 9èmes Journées Jeunes
Chercheurs Aussois, 01/12/03
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
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
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
• Production de lisotope radioactif (15O,18F)
• Radiosynthèse (18FDG)
• Injection du traceur par voie intra-veineuse
• Émission des rayonnements ? (dés. ?)
• Détection des rayons ? en coïncidence
• Reconstruction dimages (ensemble de coupes)

5
Principe de la TEP (2/2)
Exigences sur le détecteur TEP
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
Objectif démarche de la thèse (1/2)
Enjeu scientifique - Systèmes TEP actuels mal
adaptés à limagerie petit animal résolution
spatiale insuffisante
? Objectif de la thèse Évaluer la faisabilité
dun système dimagerie TEP dédié petit animal
avec des détecteurs CdZnTe.
8
Objectif démarche de la thèse (2/2)
Démarche Déterminer les performances des
détecteurs CdZnTe par rapport aux paramètres
clés dun 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 darrêt modéré - photofr. 18, L50 12mm
A évaluer ? uit
Bonne résolution qq1
Séquence des actions
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
Couple détecteur-électronique dédié (1/3)
Choix du matériau semi-conducteur

• Candidat avec le meilleur compromis pour
  lapplication CdZnTe

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
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 Vs pour dépôt 511keV

• Temps de montée du signal 6ns

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
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
Évaluation des performances temporelles (2/2)
Expérimentation

• Tests sur 12 détecteurs.
• Grandeur mesurée largeur à mi-hauteur de la
  gaussienne de coïncidence.

Principal résultat en coïncidence CZT/CZT

• Tension optimale 500V
• Temps de coïncidence 3ns FWHM
• grâce au couple détecteur /
• électronique dédiée
• (études antérieures 10ns FWHM)

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
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 dentrée des voxels 1x1mm²

• Profondeur variable

• Seuil par voxel

Exemple seuil 200keV, dépôt 511keV en 2
interactions. 350161 ? 1 déclenchement 256255
? 2 déclenchements
18
Évaluation des performances spatiales (2/6)
1 série de simulation étude paramétrique (sans
prise en compte de la profondeur dinteraction)
Étude n Seuil énergétique Profondeur détecteur Type déclenchement Conclusions
1 511keV Variable Mono-décl. Efficacité insuffisante (15 à partir de 40mm)
2 150keV Variable Mono-décl. Erreur de localisation
3 Variable 40mm Mono-décl. Seuils faibles avantageux (25keV)
4 25keV Variable Multi-décl. Mono-décl majoritaires (50), Bi-décl. 35
5 25keV Variable Bi-décl. loc. Faible gain en efficacité (5)
? Profondeur  optimisée  40mm ? Seuil
énergétique faible valeur ? Mono-déclenchements
majoritaires
19
Évaluation des performances spatiales (3/6)
2 série de simulation impact de la profondeur
dinteraction
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
20
Évaluation des performances spatiales (4/6)
Évaluation de la résolution spatiale
Profondeur dinteraction (DOI) ?
x

• 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.

21
Évaluation des performances spatiales (5/6)
Représentation graphique de ?x pour le système
LSO
90
75
60
FWTM
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
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
Bilan Perspectives
Bilan

• Résolution temporelle FWHM300keV,500V 3ns
• ? TEP avec CZT réaliste.
• Simulation mesure DOI indispensable pour le
  TEP petit animal
• ? Intérêt confirmé du CZT pour lapplication.