CEA
Département de Physique des Particules
CaLIPSO
Nouveaux développements pour l’imagerie par Tomographie par Émission de Positons

Premier prototype de détecteur optique CaLIPSO.

La technique utilisée est la Tomographie par Émission de Positons (en abrégé TEP). Elle consiste à injecter dans la circulation sanguine du patient un traceur biochimique contenant une substance radioactive, qui se fixe sur l’organe qui la consomme. L’atome radioactif du traceur, émetteur ß+ , libère un positon (un antiélectron). Celui-ci s’annihile et produit deux photons énergétiques (tous deux de 511 keV) qui se propagent « dos à dos » le long d’une ligne passant par le point d’annihilation. L’injection de traceur dans le corps du patient produit un grand nombre de paires de photons de 511 keV (des millions par seconde) pointant vers l’organe consommant le traceur. La détection de ces photons permet de reconstruire la carte de la concentration biochimique du traceur au sein des organes, et donc la carte de l’activité du métabolisme, pour le processus biochimique d’intérêt lors de l’examen.

 

Groupe CaLIPSO

L’objectif du projet CaLIPSO est de développer un détecteur TEP dont les performances en termes d’efficacité et de précision permettraient de cartographier l’activité d’un cerveau humain avec une résolution similaire à celle des Imageurs par Résonance Magnétique nucléaire cliniques (en abrégé IRM). Comme l’imagerie TEP est 108 fois plus sensible que l’IRM pour mesurer les abondances des neurotransmetteurs, un imageur TEP à haute résolution serait un excellent complément des imageurs IRM pour le diagnostic et la recherche médicale. L’efficacité de détection est un point sensible car, pour une même qualité d’image, plus le détecteur est efficace, plus on peut réduire la dose de traceur injectée. La résolution du détecteur, quant à elle, conditionne directement la résolution spatiale des images finales. Et pour reconstruire avec une précision de 1 mm3 la position d’annihilation des positons via le croisement des lignes de vol des photons de 511 keV, il faut que la résolution spatiale des détecteurs dans lesquels interagissent ces photons soit de précision équivalente.

 

Principe du détecteur CaLIPSO

Une exigence supplémentaire est de pouvoir chronométrer avec une précision proche de 100 picosecondes les temps d’arrivée des photons dans les détecteurs. On peut alors localiser le point d’annihilation le long de la ligne de vol, ce qui améliore spectaculairement le contraste des images reconstruites. On appelle cette technique le « temps de vol ». Pour atteindre les performances voulues, le projet CaLIPSO s’appuie sur le développement d’une double détection (optique et de charge), qui offre un potentiel inégalé, et marque une rupture technologique, en ce qu’il utilise un nouveau milieu de détection, le TriMéthyl Bismuth liquide (abrégé TMBi).

L’interaction des photons de 511 keV dans ce liquide engendre un flash quasi-instantané de quelques dizaines de photons dans le spectre visible, et libère des paires de charges. La lumière produite est détectée par un photodétecteur rapide, tandis que les charges libérées dérivent le long d'un fort champ électrique, et sont collectées par un détecteur de charge densément pixellisé. La détection simultanée des signaux lumineux et des charges conduit à des performances très prometteuses. Les études permettent d’envisager un positionnement des annihilations dans un volume de 1 mm3 ,une résolution temporelle de 100 ps limitée par la qualité des photodétecteurs, une résolution en énergie de 10 % et une probabilité de conversion des photons en signal électrique de 47 %. Ces paramètres de détection peuvent être atteints simultanément.

 

Les travaux sur la détection optique sont bien avancés : le prototype optique se révèle cinq fois plus efficace que les meilleurs détecteurs qui fonctionnent suivant un principe équivalent. La résolution en temps mesurée est encore modeste : 539 ps, essentiellement due aux performances intrinsèques du photomultiplicateur. Elle est déjà suffisante pour la construction d'un imageur TEP. Une nouvelle technologie de photomultiplicateurs, dite de micro-canaux, va être utilisée afin d’obtenir des résolutions temporelles bien meilleures, et permettre d’utiliser l'information du temps de vol. La mesure de l’ionisation nécessite d’obtenir des temps de vie des électrons libres dans le TMBi liquide supérieurs à 10 μs, et pour cela d’extraire les contaminants électronégatifs. L’équipe CaLIPSO a réalisé l’ultra-purification d’un liquide cousin, le TétraMéthyl Silicium. Il reste à dépasser les enjeux spécifiques au TMBi et à construire et tester une chambre d'ionisation pixellisée. Pour cela, de petits prototypes ont été construits, et l’électronique de lecture à bas bruit a été validée. L’équipe travaille déjà sur les technologies nécessaires pour réaliser des détecteurs massivement multi-pixellisés.

 

Les travaux de développement se poursuivent. L’équipe élabore des simulations Monte-Carlo, en collaboration étroite avec le Service Hospitalier Fréderic Joliot/IMIV, pour calculer les performances d’une future machine TEP complète, fondée sur la technologie CaLIPSO. Les résultats sont conformes aux objectifs du projet et démontrent qu’une fois les technologies maîtrisées, il sera possible de réaliser un instrument d’imagerie TEP neurologique efficace et de haute résolution spatiale.

La réalisation d’un tel détecteur en rupture technologique requiert des compétences et des ressources très variées. L’équipe est reconnaissante envers les nombreux collègues hors de l’Irfu qui ont apporté leur soutien et leurs compétences, en particulier, au CEA, les groupes associés au Programme Interdisciplinaire Technologie pour la Santé, ceux de DSM/IRAMIS, de DEN/DANS et du DRT/LIST ; et au-delà l’IN2P3/CSNSM et les membres de la centrale de technologie PANAMA.

 

Maj : 22/02/2017 (3730)

 

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