Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

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.

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.

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.