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

9ème Journées Jeunes Chercheurs 1/??

Détecteurs semi-conducteurs CdZnTe pour la Tomographie par Émissions de

Positons (TEP) du petit animal

Arnaud DrezetCEA Grenoble / LETI

Département Systèmes pour l’Information et la SantéService Biologie Santé

Laboratoire Détecteurs de Rayonnements

9èmes Journées Jeunes ChercheursAussois, 01/12/03


Plan de la présentation

1. Principe de la TEP

2. Objectif & démarche de la thèse

3. Développement d’un couple {détecteur-électronique de traitement} dédié

4. Évaluation expérimentale des performances temporelles

5. Évaluation par simulation des performances spatiales

6. Bilan & Perspectives










Principe de la TEP (1/2)

CollimationélectroniqueCollimationélectronique

• 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 :

1. Production de l’isotope radioactif (15O,18F…)2. Radiosynthèse (18FDG…)3. Injection du traceur par voie intra-veineuse4. Émission des rayonnements (dés. +)5. Détection des rayons en coïncidence :

6. Reconstruction d’images (ensemble de coupes)

Fenêtre temporelle de coïncidence

t

Fenêtre temporelle de coïncidence

t


Paramètres physiquesRésolution spatiale 1mm FWHM Photofraction élevée

Numéro atomique élevéDensité élevée

Longueur d'atténuation faibleRésolution temporelle 5ns FWHM Rapidité de l'information interaction

Résolution énergétique 20% @ 511keV Finesse du spectre énergétique

Pouvoir d'arrêt

Exigences détecteur TEP

85%

Principe de la TEP (2/2)

Exigences sur le détecteur TEP :LSO32%

Z = 66= 7,4

L(50%) = 8mmt(décroissance) = 40ns

14% @ 511keV










Objectif & démarche de la thèse (1/2)

Objectif de la thèse : Évaluer la faisabilité d’un système d’imagerie TEP dédié petit animal avec des détecteurs CdZnTe.

Enjeu scientifique : - Systèmes TEP actuels mal adaptés à l’imagerie petit animal : résolution spatiale insuffisante

TEP petit animal

Détecteur LSO ou GSO

Résolution spatiale limitée à 2 mm

Détecteurs CZT

Résolution spatiale < 1mm

Détecteur CZT

Détecteur

Pixellisé 3D*Trajectoirereconstituée

Trajectoireréelle

Détecteur CZT

Détecteur

Pixellisé 3D*Trajectoirereconstituée

Trajectoireréelle

- Atout majeur des détecteurs semi-conducteurs : segmentation

possible des électrodes.


Objectif & démarche de la thèse (2/2)

Démarche : Déterminer les performances des détecteurs CdZnTe par rapport aux paramètres clés d’un 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€/cm3

Pouvoir d’arrêt modéré

-photofr. 18%, L50% 12mm

A évaluer ?uit

Bonne résolution +++ qq1%

• Évaluation de la résolution temporelle• Validation des atouts en résolution spatiale• Amélioration de la sensibilité










Couple {détecteur-électronique} dédié (1/3)

Candidat avec le meilleur compromis pour l’application : CdZnTe

Choix du matériau semi-conducteur :



Choix de l’orientation des électrodes :

PTF : décorrélation efficacité d’absorption / vitesse de collecte des charges

16 strips (pas 0,1mm) court-circuités

20mm

16mm

0,9

mm

5 strip

s(p

as 4m

m) c

ourt-

circ

uités

16 strips (pas 0,1mm) court-circuités

20mm

16mm

0,9

mm

5 strip

s(p

as 4m

m) c

ourt-

circ

uités

PPlanarlanar PParallelarallel FFieldield PPlanarlanar TTransverse ransverse FFieldield

Anode

Cathode

PPlanarlanar PParallelarallel FFieldieldPPlanarlanar PParallelarallel FFieldieldPPlanarlanar PParallelarallel FFieldield PPlanarlanar TTransverse ransverse FFieldieldPPlanarlanar TTransverse ransverse FFieldieldPPlanarlanar TTransverse ransverse FFieldield

Anode

Cathode

Anode

Cathode

Anode

Cathode

PPlanarlanar PParallelarallel FFieldield PPlanarlanar TTransverse ransverse FFieldield

Anode

Cathode

PPlanarlanar PParallelarallel FFieldieldPPlanarlanar PParallelarallel FFieldieldPPlanarlanar PParallelarallel FFieldield PPlanarlanar TTransverse ransverse FFieldieldPPlanarlanar TTransverse ransverse FFieldieldPPlanarlanar TTransverse ransverse FFieldield

Anode

Cathode

Anode

Cathode

Anode

Cathode

Géométrie des détecteurs utilisés :



Développement d’une électronique de traitement dédiée au signal CZT :

• 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.

Signal Vs pour dépôt 511keV :

Préampli

de chargesdérivateurdétecteur

CSPSignal Vs

• Temps de montée du signal : 6ns

6ns










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.

68Ge

DFC

TTLTTL

CTA

Ampli spectro

préamplidérivateur CZT CZT préampli dérivateur

DFC

68Ge

DFC

TTLTTL

CTA

Ampli spectro

préamplidérivateur CZT CZT préampli dérivateur

DFC


Évaluation des performances temporelles (2/2)

Expérimentation :

Principal résultat en coïncidence CZT/CZT :

Résolution temporelle CZT/CZT en fonction de la tension appliquée @ 300keV

0

12

34

56

7

0 200 400 600 800 1000

Tension appliquée (V)

Rés

olu

tio

n t

emp

ore

lle

(ns)

Résolution temporelle CZT/CZT en fonction de la tension appliquée @ 300keV

0

12

34

56

7

0 200 400 600 800 1000

Tension appliquée (V)

Rés

olu

tio

n t

emp

ore

lle

(ns)

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.










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 d’entrée des voxels : 1x1mm²

• Seuil par voxel• Profondeur variable

Exemple : seuil 200keV, dépôt 511keV en 2 interactions.

350+161 1 déclenchement

256+255 2 déclenchements



1° série de simulation : étude paramétrique(sans prise en compte de la profondeur d’interaction)

Etude paramétrique : profondeur du détecteur (1)

0102030405060708090

100

0 20 40 60 80 100

Profondeur du détecteur (mm)

Qu

an

tité

de p

ho

ton

s

en

reg

istr

és (

%)

100%-SI

511keV ds (8,8)

SI : sans interaction

Etude paramétrique : profondeur du détecteur (1)

0102030405060708090

100

0 20 40 60 80 100

Profondeur du détecteur (mm)

Qu

an

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de p

ho

ton

s

en

reg

istr

és (

%)

100%-SI

511keV ds (8,8)

SI : sans interaction

1

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


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

Champ de vue : 10cm

Diamètre couronne : 14,8cm

dét. 1dét. 2

Champ de vue : 10cm


Champ de vue : 10cm


dét. 1dét. 2

Système CZT : détecteur 16x16x40mm3

Voxel : 1x1x4mm3

Champ de vue : 10cm

dét. 1dét. 2

Champ de vue : 10cm

dét. 1dét. 2


x avec DOIx sans DOI


Évaluation de la résolution spatiale :

• 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.

x

x

x

x

x

Profondeur d’interaction (DOI)



Représentation graphique de x pour le système LSO : LSO - sDOI - 25keV - 1D - 10mm - FOV 10cm - 90° -

120.000 coups

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Projection transaxiale radiale (mm)

Co

up

s en

reg

istr

ésLSO - sDOI - 25keV - 1D - 10mm - FOV 10cm - 75° -

120.000 coups

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5


Co

up

s en

reg

istr

és

LSO - sDOI - 25keV - 1D - 10mm - FOV 10cm - 60° - 120.000 coups

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5


Co

up

s en

reg

istr

és

FWTM

90° 75° 60°

Représentation graphique de x pour le système CZT : CZT - sDOI - 25keV - 1D - 40mm - FOV 10cm - 60° -

120.000 coups

0

10000

20000

30000

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4


Co

up

s en

reg

istr

és

CZT - sDOI - 25keV - 1D - 40mm - FOV 10cm - 75° - 120.000 coups

0

10000

20000

30000

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5


Co

up

s en

reg

istr

és

CZT - sDOI - 25keV - 1D - 40mm - FOV 10cm - 90° - 120.000 coups

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5


Co

up

s en

reg

istr

és 90° 75° 60°

CZT - aDOI - 25keV - 1D - 40mm - FOV 10cm - 60° - 120.000 coups

0

10000

20000

30000

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Projection transaxiale radiale, pas 0,5mm (mm)

Co

up

s en

reg

istr

és


0

10000

20000

30000

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5


Co

up

s en

reg

istr

és


0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5


Co

up

s en

reg

istr

és

Mes

ure

DOI

90° 75° 60°



Projection transaxiale radiale (CZT & LSO Focus)

0123456789

10

0 10 20 30 40 50

Position transaxiale radiale x (mm)

Rés

. sp

atia

le F

WT

M (

mm

)

sDOI

aDOI

LSO Focus

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.

Efficacité de détection (CZT mono-décl. & LSO Focus)

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30 40 50

Position transaxiale radiale X (mm)

Evé

nem

ents

en

reg

istr

és

(%) CZT

LSO





3. Mise au point d’un couple {détecteur-électronique de traitement} dédié





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 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.

Documents

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