9 ème Journées Jeunes Chercheurs 1/?? 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 9 èmes Journées Jeunes Chercheurs Aussois, 01/12/03
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9 ème Journées Jeunes Chercheurs 1/?? Détecteurs semi-conducteurs CdZnTe pour la Tomographie par Émissions de Positons (TEP) du petit animal Arnaud Drezet.
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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
9ème Journées Jeunes Chercheurs 2/??
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
9ème Journées Jeunes Chercheurs 3/??
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
9ème Journées Jeunes Chercheurs 4/??
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 :
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
9ème Journées Jeunes Chercheurs 13/??
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
9ème Journées Jeunes Chercheurs 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.
68Ge
DFC
TTLTTL
CTA
Ampli spectro
préamplidérivateur CZT CZT préampli dérivateur
DFC
68Ge
DFC
TTLTTL
CTA
Ampli spectro
préamplidérivateur CZT CZT préampli dérivateur
DFC
9ème Journées Jeunes Chercheurs 15/??
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.
9ème Journées Jeunes Chercheurs 16/??
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
9ème Journées Jeunes Chercheurs 17/??
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
9ème Journées Jeunes Chercheurs 18/??
Évaluation des performances spatiales (2/6)
1° série de simulation : étude paramétrique(sans prise en compte de la profondeur d’interaction)
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
9ème Journées Jeunes Chercheurs 23/??
Plan de la présentation
1. Objectif & démarche de la thèse
2. Principe de la TEP
3. Mise au point d’un couple {détecteur-électronique de traitement} dédié
4. Évaluation expérimentale des performances temporelles
5. Évaluation par simulation des performances spatiales
6. Bilan & Perspectives
9ème Journées Jeunes Chercheurs 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 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.