FR3097656A1 - Camera Compton et procédé d’imagerie 3D COMPTON - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif, un système et un procédé d’utilisation de Caméra Compton multi-capture, caractérisée par l’utilisation d’au moins deux centres de captures de positions distinctes. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 12

Description

Camera Compton et procédé d’imagerie 3D COMPTON

Domaine technique de l’invention

La présente demande se rapporte au domaine de l'imagerie et plus particulièrement à l'imagerie de sources de rayons gamma. En particulier, la présente demande concerne un dispositif, système et procédés d'imagerie par détecteur de type Caméra Compton.

Plus précisément, la présente demande concerne un dispositif, système et procédés d'imagerie par Caméra Compton dite « multi-capture » (au moins « bi-capture »), c’est-à-dire utilisant au moins deux captures d’imagerie Compton réalisées à partir d’au moins deux emplacements différents (soit des emplacements différents d’une même Caméra Compton, soit des emplacements différents de plusieurs Caméras Compton distinctes). La présente demande détaille donc une nouvelle technologie de détection de rayons gamma combinant plusieurs captures d’images Compton et des améliorations apportées aux caméras et/ou procédés de reconstruction d’image utilisant ce type de captures multiples. L'invention concerne en outre l'utilisation d’une telle imagerie et/ou détection dans les domaines notamment de l'astronomie, de l'industrie nucléaire et du médical.

état de la technique antérieure

Dans l’art antérieur concernant l’imagerie à partir de caméra Compton, il est connu de mesurer les photons émis par au moins un scintillateur (P1, P2) à l’aide d’un photodétecteur et d’un dispositif de lecture dédié sous l’effet d’un rayonnement gamma. Le scintillateur, le photodétecteur et le dispositif de lecture dédié sont ici désignés par le terme de « centre de capture » (CC en ou CC1 et CC2 dans à ) car ils sont le centre d’une capture d’image, bien qu’ils soient en fait répartis physiquement dans des plans généralement parallèles les uns des autres. Un tel centre de capture (CC, CC1, CC2) permet, grâce aux photons détectés, d’obtenir des images Compton suite à l’interaction entre un rayon Gamma incident avec le centre de capture, par exemple comme représenté sur . Cependant, le mode de reconstruction d’image utilisé par les caméras Compton est fondamentalement ambigu. En effet, on mesure typiquement un vecteur correspondant aux caractéristiques d’une première interaction (I1) (ou « diffusion »), qui possède une énergie donnée (E1), puis un vecteur correspondant à une seconde interaction (I2) (ou « absorption »). Le rayonnement gamma incident est alors localisé sur un cône dont le sommet est I2 et l’angle d’ouverture est donné par le rapport entre les énergies mesurées des deux interactions (E1/E2). En effet, comme représenté sur , une première interaction (I1) d’un rayon gamma avec un scintillateur va générer des photons détectables par le centre de capture (CC) et dévier sa trajectoire, et une seconde interaction (I2) avec un scintillateur (identique ou différent du premier) va également générer des photons détectables par le centre de capture (CC), ce qui permet de réaliser une imagerie Compton définissant un Cône de Reconstruction (CR) dont le sommet est dans le centre de capture (CC) et dont la base est une ellipse de reconstruction (DR) formé par l’intersection entre le cône de reconstruction (CR) et un plan de reconstruction perpendiculaire à l’axe d’imagerie du centre de capture (CC). Le plan de reconstruction peut être défini à l’aide de moyens divers, comme par exemple une télémétrie, une mesure laser ou même par reconstruction tridimensionnelle des images Compton. On notera que dans un tel cas, il n’est pas nécessaire de faire d’hypothèse sur l’identification de la source avec un objet optique.

Dans le cas des algorithmes itératifs, l’idée est de considérer dès le départ un modèle discrétisé. On utilise ensuite des algorithmes pour approcher la solution. Ces méthodes permettent une plus grande flexibilité vis à vis des paramètres pouvant être pris en compte. Cependant, des problèmes de convergence apparaissent associés à la difficulté de choisir un critère pour l’arrêt des itérations. De plus, la résolution du problème peut parfois demander d’importantes ressources mémoire et des temps de calculs relativement longs. Pour représenter les erreurs sur les mesures d’énergie et de position, qui impactent la connaissance de l’angle de déviation, on donne aux cônes utilisés pour la reconstruction une épaisseur de paroi. Ceci permet de tenir comptes des incertitudes dans le calcul de la reconstruction.

Ainsi, comme il est indiqué sur l’exemple représenté sur , quand on utilise une caméra dans le cas réel ou la distance source/caméra est grande devant la taille du détecteur et quand on tient compte des diverses erreurs, pour chaque couple de photons détecté on obtient deux zones d’intersection de cônes qui sont deux droites génératrices des cônes (CR) mais l’une d’entre elle contient la source (S) réelle et l’autre contient un artéfact (A1). L’origine des cônes étant identique, les deux solutions (A1, S) sont dégénérées en profondeur : Quel que soit le plan de reconstruction, la direction angulaire calculée est identique pour la vraie source et pour l’artefact. C’est pourquoi même pour une caméra Compton possédant un très faible bruit intrinsèque, il est nécessaire de multiplier le nombre (n) de détections de photons comptons (Images Compton) et donc de cônes reconstruits afin d’estimer la vraie position de la source (S). Ainsi, comme par exemple représenté sur , on utilise plusieurs images Compton (n à n+3 sur ) obtenues par un même centre de capture (CC1, ) pour estimer la position de la source malgré les artéfacts. Dans le cas réel les erreurs se traduisent par une épaisseur non nulle de la paroi du cône. De ce fait, il est souvent nécessaire de détecter environ 50 photons pour avoir une imagerie réaliste d’une source ponctuelle. Cette ambiguïté explique que les images Compton montrent souvent des artéfacts en plus des sources réelles, ce qui complique l’interprétation des images. Cette solution connue de l’art antérieur présente l’inconvénient de limiter la précision de l’imagerie, tout en nécessitant un temps de calcul important.

La pratique courante dans l’état de l’art est de superposer une image gamma sur une image visible pour identifier la localisation de la source. Ceci facilite l’interprétation des images mais ne permet pas de savoir, notamment dans des situations de décontamination, si la source est devant une paroi, derrière la paroi ou dans la paroi. Pour cela, Il faudrait pour cela connaître la distance de la source en utilisant les rayons gamma. Dans de nombreuses situations, l’énergie de la source radioactive est atténuée par sa présence dans un récipient en inox, béton ou plomb (aux parois souvent épaisses). Dans de telles situations, le nombre de photons détectés en provenance de la source n’est qu’une petite fraction du nombre de photons émis : on sous-estime l’activité de la source. Disposer d’un moyen permettant d’estimer l’activité réelle de la source serait précieux.

Dans ce contexte, il serait donc intéressant de proposer une imagerie Compton qui présente moins d’inconvénients que l’art antérieur, en termes de temps de calcul et d’énergie de la source à détecter.

Dans la pratique courante, il est usuel de multiplier le nombre de vues pour reconstruire un objet en 3D. Ceci génère un cout, soit en temps de pose si l’on doit déplacer la caméra pour obtenir des vues supplémentaires, soit en coût d’équipement si l’on utilise un équipement prenant plusieurs vues simultanément et plus important encore dans le cas d’une application médicale ou vétérinaire, nécessite des doses importantes et n’optimise pas la radioprotection des patients, animaux et personnels.

Dans ce contexte, il serait intéressant de proposer une imagerie Compton qui présente moins d’inconvénients que l’art antérieur, en termes de temps d’acquisition, de rapidité de convergence des algorithmes et de qualité d’images reconstruites.

La présente invention a donc pour objet de proposer un dispositif, système et procédé d’imagerie Compton permettant de palier au moins une partie des inconvénients de l’art antérieur. On notera que les termes « présente invention » ou « l’invention » désigne en fait, dans la présente demande, simplement des modes de réalisation possibles et des exemples de mise en œuvre. Ces divers modes de réalisation, ainsi que leurs caractéristiques techniques particulières, pourront bien entendu être isolés les uns des autres ou combinés ensemble par l’homme de métier, notamment grâce aux considérations fonctionnelles fournies dans la présente demande et en fonction des besoins imposés par les applications visées selon les domaines d’application.

A cet effet, l’invention concerne un dispositif, un système et un procédé d’utilisation de caméra Compton, caractérisés par l’utilisation d’au moins deux centres de capture de positions distinctes.

Ainsi, l’invention permet de réduire le temps de calcul et/ou de limiter le nombre de photons nécessaires pour obtenir une imagerie fiable, contrairement à l’art antérieur utilisant uniquement des images Compton obtenues à partir d’un même centre de capture.

L’invention est présentée en deux grande parties

Une première portant sur l’utilisation et les avantages d’une caméra Compton multi-capture et comprend aussi les améliorations des caméras existantes qui peuvent ou non être couplées à l’utilisation d’une caméra multi-capture.

Une seconde portant sur une méthode d’imagerie 3D utilisant lesdites caméras Compton et quelques-unes des diverses applications qui en découlent.

D’une manière générale, comme introduit dans son préambule ci-dessus, la présente demande propose d’utiliser des « images Compton » à partir de positions de « captures Compton » différentes. Le terme « image Compton » (ou simplement « image ») désigne dans la présente demande l’imagerie obtenue à partir des vecteurs calculés sur la base des données recueillies par un seul « centre de capture » déterminé (de position déterminée, quelles que soient ses spécifications techniques). En revanche, le terme « capture Compton » (ou simplement « capture ») désigne dans la présente demande l’imagerie obtenue à partir des vecteurs calculés sur la base des données recueillies par plusieurs « centres de capture » déterminés, qu’il s’agisse d’un même centre de capture déplacé dans l’espace entre deux images successives ou de deux centres de capture (CC1, CC2) distincts réalisant des images indépendantes depuis des positions différentes. La présente demande prévoit donc divers modes de réalisation pour son implémentation physique en termes de dispositif, système ou procédé. Ainsi, on utilisera de préférence une même caméra dans deux positions successives ou deux caméras identiques localisées dans deux positions distinctes, mais la présente demande prévoit également la possibilité d’utiliser deux caméras différentes dans deux positions distinctes.

Selon une particularité, l’invention est caractérisée en ce que les positions distinctes sont séparées d’une distance inférieure ou égale à deux fois la résolution angulaire du centre de capture la caméra Compton afin d’obtenir une vision stéréoscopique dans un instrument portable compact.

Selon une particularité, l’invention est caractérisée en ce que les positions distinctes sont séparées d’une distance inférieure mais proche de deux fois la résolution angulaire du centre de capture la caméra Compton, notamment à la portée souhaitée pour la caméra.

Selon une particularité, l’invention est caractérisée en ce que les positions distinctes sont disposées selon un arc centré sur la position de la source de rayon gamma.

De nombreuses combinaisons peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention ; l'homme de métier choisira l'une ou l'autre en fonction des contraintes économiques, ergonomiques, dimensionnelles ou autres qu'il devra respecter.

Ainsi, dans l’art antérieur, comme dans l’exemple représenté sur , on estime la position d’une source (S) de rayon gamma à l’aide de ce type de disques de reconstructions (DR) de , en cumulant les images Compton successives obtenues pour les divers photons détectés par le centre de capture (CC). illustre les deux disques de reconstruction (DR) possibles obtenus par un seul centre de capture (CC1) à partir de deux images (n et n+1) successives. Ces deux disques de reconstruction (DR) permettent d’estimer la position réelle de la source (S) par l’intersection des deux cônes de reconstruction (CR), mais la position estimée est en ambiguë.

De manière générale, comme illustré par exemple de manière non limitative sur , la présente demande propose d’utiliser des captures Compton à partir d’au moins deux centres de capture (CC1, CC2) différents. Il peut s’agir de plusieurs images Compton d’une même caméra ou d’images de plusieurs caméras distinctes, voire même de caméras se déplaçant dans l’espace entre des localisations différentes de centres de capture.

Tout ce qui est dit pour une caméra multi-capture peut être reproduit avec une caméra monoculaire en bougeant la caméra d’une distance précisément connue et en réalisant des poses identiques à condition de connaître également précisément les positions relatives et l’orientation de l’axe optique de la caméra.

Cependant dans le cas des sources mobiles ou variables dans le temps ainsi que c’est le cas pour les radiotraceurs à vie brève utilisés dans le médical (¹⁸F), un tel système ne fonctionne pas. En outre il est peu pratique et moins précis. La caméra multi-capture est donc la réalisation préférée de l’invention.

Constitution d’une caméra Compton multi-capture :

Une caméra multi-capture est constituée de deux têtes Compton C1 et C2 (chacune pouvant être constituée d’un couple de plaques diffuseur + absorbeur). Ces deux têtes sont idéalement identiques en termes de configuration/design optique, leur axes optiques sont de préférence parallèles, les deux têtes étant séparées d’une distance connue avec précision. Ces deux caméras regardent le même champ de vue.

La précision de la position d’une source radioactive ponctuelle obtenue avec une caméra Compton est comprise entre 1° et 2°. C’est ce paramètre qui est important pour la conception d’une caméra multi-capture. La distance entre les deux têtes doit sous tendre un angle supérieur à la précision angulaire de localisation d’une source à la portée de la caméra. (Par exemple une séparation de 10 centimètres (cm) entre les têtes si la précision de position est de 1° et la portée visée de 10 mètres)

Si l’on souhaite réaliser une caméra portable, la distance entre les deux têtes sera relativement faible par exemple 20 cm et cette caméra pourra fonctionner en mode multi-capture jusqu’à 5 mètres (m) au moins.

Dans cette modalité, Il est important que la distance entre les têtes ne soit pas trop importante par exemple inférieur à 10° (<10°) afin que le champ de vue observé ne soit pas trop différent entre les deux images.

Ainsi une distance angulaire entre les têtes supérieure à 30°(>30°) a une utilité différente, celle de donner une image tridimensionnelle d’un objet étendu.

Apports d’une caméra multi-capture :

Triangulation gamma de la source.

Le fait de mesurer la position angulaire d’une source donnée à partir de deux détecteurs C1 et C2 distants d’une distance D, en supposant une précision angulaire α sur la mesure de position (typiquement 1 à 2° selon les configurations optiques et le nombre de photons détectés) permet d’estimer la distance de l’émission gamma jusqu’à une distance Z = D/tangente (α)

Réduction des artefacts

On a vu précédemment que la reconstruction d’image Compton est par nature ambiguë, ce qui provoque de multiples artefacts dans les images, notamment quand le nombre de photons détectés est faible (inférieur à 300 photons/source). De manière surprenante, nous avons constaté qu’avec un faible déplacement de la prise de vue (typiquement 20 cm pour une distance de 300 cm), la position des artefacts était complétement différente entre les deux images acquises par les caméras C1 et C2. Cette double imagerie permet donc d’améliorer le rapport signal/bruit de l’image reconstruite. On utilise ici une reconstruction classique, les images acquises par la caméra C1 sont obtenues par intersection des cônes issus de C1. Les images acquises par la caméra C2 sont obtenues par intersection des cônes issus de C2.

Détection certaine de sources faibles

La caméra multi-capture est particulièrement adaptée à l’analyse de contamination faible, voire de la radioactivité naturelle. En effet dans ce cas le flux de photons est faible (quelques photons / heure). Il faut compter des heures pour que la source passe le seuil de détection (50 photons/source ponctuelle) et le bruit de fond naturel vient perturber la mesure.

Par contre, si l’on dispose d’une estimation de la distance de la source, la triangulation permet d’obtenir la détection de manière certaine.

En effet la position relative d’une source sur les deux images est connue et l’on a vu précédemment que le positionnement du bruit était changé entre les deux images.

Par ailleurs, une fois la source localisée sur les deux images, il est possible d’additionner le nombre de photons obtenu sur les deux images, ce qui accroit le rapport signal/bruit.

Exaltation de la résolution angulaire

Nous avons vu précédemment que quand on rapproche deux sources intenses il se produit un collapsus de l’image. Ce collapsus se produit car une grande densité d’intersections de cônes Compton apparaît dans une ellipse entre les deux sources. Or la position de la source est reconnue par la densité d’intersections de cônes Comptons.

Ce phénomène est amplifié par le fait que la dimension du détecteur, dans le cas d’une caméra monoculaire, est petite devant la distance de la source, de ce fait les zones d’intersection sont des objets étendus (du fait des incertitudes sur la mesure des différents paramètres) distribués autour de deux droites par couple de cônes.

Si maintenant on place le plan de reconstruction à la distance de la source et qu’on n’utilise pour reconstruire l’image que les intersections entre les cônes issus de C1 et de C2 ((C1-C2) non C1-C1 et non C2-C2)) la situation change : du fait de la distance entre les deux centres optiques, les zones d’intersection sont réduites à des arcs coniques qui ne sont plus dégénérés en Z : les deux positions reconstruites de la source changent selon le plan de reconstruction choisi : la solution est Z dépendante.

Nous avons vu ci-avant dans la présente demande qu’il est relativement aisé avec une caméra multi-capture d’obtenir la distance de la source et donc le plan de reconstruction. La direction angulaire vraie de la source étant la même pour tous les photons émis, on aura une zone de forte densité d’intersection pour la position vraie de la source en X, Y, Z et un halo diffus de fausses interactions autour de cette position : le problème n’étant plus dégénéré en Z. On pourra ainsi éviter le collapsus des images.

Ainsi les images peuvent être améliorées et l’on peut espérer un gain d’un facteur 2 à 3 sur la résolution angulaire de notre caméra et retrouver la résolution angulaire qu’on prévoit en fonction du diamètre d’une tache isolée ainsi qu’on l’obtiendrait avec une caméra optique.

Par ailleurs, les facteurs d’incertitude sur la reconstruction étant fortement réduits, on obtiendra une détection certaine de la source avec cette méthode avec un nombre de photons inférieur, par exemple 15 photons/caméra.

Ce mode est donc particulièrement avantageux pour la détection de très faibles contaminations.

Gestion automatique de l’imagerie objets étendus :

Nous utilisons une méthode de lissage des images reconstruites : la méthode LM/MLEM. Cette méthode permet de faire disparaître une grande partie des artefacts et fait ressortir les détails pour peu que la statistique (nombre de photons/voxel d’image) soit suffisante.

Cette méthode procède par itérations successives (entre 10 et 30 dans la plupart des situations). Par contre si on applique un nombre de « lissages » important à l’image d’un objet étendu, l’image est fortement dégradée.

Il est donc important avant de choisir le nombre de lissage effectué d’identifier la nature ponctuelle ou étendue d’une source.

On réalise une calibration en usine avec une source ponctuelle dans différentes positions angulaires dans le champ de la caméra. On obtient ainsi la « Point spread function (PSF) » (en langue anglaise) d’une source ponctuelle en fonction de l’angle par rapport à l’axe optique :

On choisit une zone de l’image à étudier

Dans cette zone on détermine le contour probable de la source principale

On estime le nombre de photons présents dans la source

On compare le profil de la source à PSF (θ) d’une source ponctuelle

On détermine en fonction de l’étendue de la source et du nombre de photons présent le nombre maximum de lissage à appliquer dans ce cas.

Mesure précise du flux d’une source nue dans un contexte bruité

La caméra Compton fournit de manière répétable le nombre de photons qui ont contribué à bâtir une image donnée. Il est donc possible de l’employer pour estimer un flux de rayons gamma.

Il arrive souvent que la source que l’on cherche se situe au milieu d’autres sources émettant à la même énergie qui peuvent perturber la mesure.

Dans ce cas il faut reconstruire l’image Compton sur l’intégralité de l’espace (4 Pi stéradians). Il faut ensuite identifier les sources parasites et exclure de la reconstruction les cônes qui passent par ces sources parasites. De cette manière on limite la perturbation du taux de comptage , ce qui fournit une collimation électronique.

La présente demande prévoit également d’intégrer au moins une mesure du flux d’une source écrantée.

En effet, le plus souvent, les sources intenses de radiation sont situées dans un contenant qui peut être un fut métallique, une enceinte en béton, une protection en plomb ou tout autre type de matériau ou dispositif de radioprotection.

Dans un contexte de démantèlement, il faut connaître l’activité intrinsèque Fr d’une source et non pas l’activité apparente Fa de cette source aux limites de son conteneur. Nous allons montrer que notre caméra multi-capture permet d’estimer l’activité vraie.

Tout d’abord si on choisit de faire une image dans la gamme d’énergie correspondant au pic de la source (par exemple 630-690 keV pour une source au¹³⁷Cs qui émet à 662 keV) on ne voit que les photons émis par la source et qui n’ont pas été diffusés par le conteneur, ceci permet de mesurer le flux apparent Fa.

Ensuite, on regarde le spectre d’énergie. Il doit comporter des photons diffusés dont l’énergie est inférieure à celle de la source (typiquement pour¹³⁷Cs 500-600 keV) si la source est significativement écrantée. Idéalement on choisit pour l’analyse une gamme d’énergie où il n’y a pas d’autre raie d’émission apparente.

On réalise ensuite une image avec ces photons diffusés (ex 500-600 keV) : la source doit s’atténuer voire disparaître et on voit les photons diffusés par le contenant de la source.

Connaissant la distance de la source et l’angle solide sous tendu par l’image des photons diffusés, on peut mesurer le nombre de photons détectés et donc estimer le flux de photons et la répartition spatiale des photons diffusés Fd.

Pour estimer le flux de photons absorbés par le conteneur, on peut couper en deux la zone d’énergie des photons diffusés et réaliser une image 500-550 keV et une image 550-600 keV. L’effet photo-électrique chutant rapidement avec la longueur d’onde, la comparaison du nombre de photons détectés dans ces Deux gammes d’énergie permet d’estimer le taux d’absorption du rayonnement. Fe

On a alors Fr = Fa + Fd + Fe

Bien entendu ce type de traitement sophistiqué n’est possible que si les images sont statistiquement valides, c’est-à-dire si l’on dispose d’un nombre de photons >> 50/voxel.

Mesure précise du flux issu d’une source dans un contexte perturbé.

On fait la reconstruction de l’image sur 4 Pi et on supprime de la reconstruction tous les cônes passant par des sources ou artefacts intenses situés hors de la zone d’intérêt.

Dans la plupart des cas, on dispose d’une estimation initiale, même précise à 10% de la distance de la source (caméra visible multi-capture, mesure physique, télémètre laser…).

représente un exemple de caméra Compton monoculaire classique. Dans cet exemple classique, la direction d’incidence de chaque photon gamma réalisant un effet Compton dans le détecteur est positionnée sur un cône.Pour chaque paire de photons gamma détectée, il y a une à deux solutions possibles qui sont deux droites génératrices du cône. De plus, pour chaque plan de reconstruction il y a en général deux solutions dont une seule représente la position de la source. Ainsi, dans les caméras classiques, la solution est dégénérée en Z (i.e. incertaine quant à la profondeur de la source, c’est-à-dire sa distance par rapport à la caméra) car quelle que soit la position du plan de reconstruction, les deux solutions apparaissent angulairement au même endroit.

La seconde solution (celle qui ne contient pas la source) est celle qui génère des artefacts (fausses concentrations) à la reconstruction.

Par contre à partir du moment où l’on change le point d’observation d’une distance supérieure à l’erreur de position de la source (1 à 2° pour notre caméra), la position des artefacts qui dépend de concentrations statistiques de points plus ou moins aléatoires est changée (on n’observe plus les artefacts au même endroit) par contre la source vraie change de position de manière prévisible suivant le déplacement des positions des caméras.

représente la caméra multi-capture (ou l’effet d’un mouvement relatif à la trajectoire connue d’une caméra monoculaire)

Pour chaque paire de photons gamma, si l’on ne considère que les intersections des cônes issus de la caméra A et ceux issus de la caméra B, les solutions possibles sont un arc de conique (ellipse, parabole…). Pour chaque plan de reconstruction il y a en général deux solutions dont une seule représente la position de la source. Par contre la solution n’est plus dégénérée en Z : au-delà d’une certaine distance il n’y a plus de solution. La position angulaire des solutions est dépendante du plan de reconstruction. Or la vraie source a une direction angulaire fixe, donc la vraie source va émerger très rapidement du bruit.

Dans le cas particulier où on a deux sources proches, il y a de nombreuses "fausses intersections » qui apparaissent dans la zone entre les 2 sources. Ceci amène un collapse de l’image dans la zone centrale avec les méthodes de reconstruction classique. Par exemple, si l’on observe 2 sources de¹³⁷Cs d’intensité 720 MBq et 230 MBq depuis une distance de 2,5 m avec une caméra Compton. Le diamètre angulaire des taches est de 2°. Donc en optique classique ou pourrait prévoir une résolution angulaire de 3°. Si les sources sont séparées de 8° elles sont parfaitement résolues. Si les sources sont séparées de 6° on observe un collapsus de l’image dans la zone centrale entre les 2 sources.

Dans le cas d’une caméra Multi-capture, pour deux sources proches, les « fausses solutions » seront réparties dans un halo diffus en Z alors que les vraies sources seront denses dans le plan de reconstruction. On devrait éviter le collapsus et récupérer une résolution de 3. Cela permet d’obtenir une caméra à coût réduit.

La présente demande vise donc à protéger en outre :

D’une part, au moins une caméra Compton multi-capture constituée de 2 ensembles de détection voisins observant le même champ de vue caractérisée en ce que les deux ensembles de détection sont séparés par une distance angulaire supérieure à 1° à la portée maximum de la caméra afin de permettre d’observer un déplacement d’une source ponctuelle à la portée maximum entre deux images prises simultanément.

D’autre part, au moins une caméra avec laquelle on réalise le même effet par un mouvement relatif précisément connu de la caméra entre deux prises de vues, la position de l’axe optique de la caméra au cours de ces deux prises de vues étant également connue.

Par ailleurs, la présente demande vise également à protéger, alternativement ou en combinaison :
- une utilisation de ce type de caméra pour estimer la distance d’une source radioactive par triangulation des rayons gamma ; – une élimination des artefacts en ne conservant que les points qui sont conservés entre les deux images (distance cohérente) ;

– une utilisation d’une telle caméra pour détecter et réaliser une image de sources très faibles <0,1 MicroRad/h en optimisant la certitude ;

– une méthode de reconstruction utilisant une caméra multi-capture qui consiste à ne considérer pour la reconstruction que les intersections des cônes issus de la caméra C1 avec ceux issus de la caméra C2 ;

– une amélioration de la résolution angulaire liée à l’utilisation de la reconstruction ci-dessus ;

-une Mesure précise du flux de photons dans une zone donnée dans un contexte bruité en éliminant tous les cônes qui convergent hors de la zone d’intérêt ;

– une utilisation d’une caméra multi-capture pour estimer l’activité réelle d’une source écrantée en utilisant une mesure du flux des photons directs et du flux de photons diffusés.

Dans la seconde partie de la présente demande qui suit, nous présentons une méthode de reconstruction 3D Compton qui contient une combinaison des atouts du mode 1D (une vue), 2D (deux vues) et 3D (trois vues) de la caméra Compton puis, de manière non limitative quelques applications.

L’invention concerne aussi un procédé permettant de créer une image Tridimensionnelle et/ou tomographique d’un objet en rayonnement gamma d’imagerie Compton caractérisé en ce qu’il comporte une ou plusieurs caméras Compton réalisant au moins trois vues à partir de trois positions connues réparties chacune sur un des trois axes (X, Y, Z) d’un trièdre, les champs d’acquisition desdites vues possédant au moins une zone de recouvrement couvrant l’objet à imager.

Selon une particularité, l’invention concerne en outre un procédé d'imagerie Compton qui comporte une méthode de reconstruction utilisant moins de 10 photons/voxel par vue pour reconstruire l'image 3D.

Selon une particularité, l’invention concerne un procédé d'imagerie Compton qui comporte une étape de collimation électronique apte à exclure des sources ou des photons provenant des zones que l’on souhaite exclure de l’image.

Selon une particularité, lesdites vues peuvent être acquises soit simultanément par trois caméras Compton distinctes, soit séquentiellement par un déplacement d’au moins une caméra Compton sur lesdits 3 axes du trièdre.

Selon une autre particularité, ledit trièdre est un trièdre aux axes X, Y et Z orthogonaux définissant trois directions de l’espace, la source à imager étant à l’origine du trièdre.

Selon une autre particularité, ledit procédé d’imagerie Compton contient une méthode de reconstruction tomographique dudit objet à imager à partir d’au moins deux vues Compton dont les champs de vue sont répartis dans les trois dimensions (X, Y, Z) de l’espace.

Selon une autre particularité, ledit procédé d’imagerie Compton contient une méthode de reconstruction Compton dans laquelle ne sont retenues que les intersections de cônes issus de vues différentes.

Selon une autre particularité, ledit procédé d’imagerie Compton contient un processus de dépouillement Compton, utilisé dans le cas où l’intensité de la source est identique entre plusieurs vues, pour filtrer les évènements parasites pour lesquelles ladite intensité de la source ne satisfait pas à la loi de l’inverse des distances au carré, ne variant pas comme 1/d²sur chacune des vues, d étant la distance de la source à la caméra sur chacune des vues.

L’invention concerne en outre un imageur Compton comportant au moins une caméra Compton, réalisant au moins trois vues successives ou simultanées par la mise en œuvre du procédé selon au moins une des particularités ci-dessus décrites.

Selon une autre particularité, une desdites caméras Compton est montée sur un cadre définissant ledit trièdre.

Selon une autre particularité, au moins une desdites caméras Compton est montée sur au moins un bras articulé pouvant successivement, et simultanément se mouvoir dans toutes les directions de l’espace et être orienté suivant les angles d’Euler, soit en mode automatique, soit en mode manuel.

L’invention concerne également l’utilisation dudit imageur Compton selon l’une des particularités décrites précédemment dans divers domaines (médical, vétérinaire, industrielle, sécurité, …)

L’invention concerne en outre un imageur Compton comportant au moins une tête CT-Scan permettant de réaliser une image tomodensitométrique pour une correction d’atténuation dans les images produites par l’imagerie Compton.

L’invention concerne également un imageur Compton couplé à un accélérateur médical.

L’invention concerne en outre un imageur Compton dont l'ensemble des têtes de détection sont en regard autour d'un banc, ledit banc étant apte à effectuer des mouvements de translation et rotation dans un plan.

L’invention concerne en outre l‘utilisation de l’imageur Compton pour améliorer le contrôle des traitements en radio thérapie et en hadron thérapie.

L’invention concerne en outre l‘utilisation de l’imageur Compton pour améliorer la radioprotection des patients, du personnel, des animaux et de l’environnement en présence d’une ou de plusieurs sources radioactives.

L’invention concerne en outre l‘utilisation de l’imageur Compton pour obtenir une image tomographique en rayonnement gamma d’un être vivant avec une dose injectée inférieure à 20 MBq en moins de 20 minutes pour des applications dans les domaines de l’imagerie médicale, vétérinaire et préclinique, pour réaliser le contrôle non destructif.

Brève description des figures

D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit en référence aux figures annexées, qui illustre :

• [Fig. 1] est une représentation schématique d’une imagerie Compton classique de l’art antérieur,
• |Fig. 2] est une représentation schématique des reconstructions à partir de deux images Compton successives dans l’art antérieur,
• [Fig. 3] est une représentation schématique des reconstructions à partir de quatre images Compton successives dans l’art antérieur.
• [Fig. 4] est une représentation schématique des reconstructions à partir de deux images Compton issues de deux captures Compton distinctes, selon certains modes de réalisation de la présente demande.
• [Fig. 5] est une représentation schématique reconstructions à partir de trois images Compton issues obtenue par une première capture Compton et de deux images successives obtenues par une seconde capture Compton, selon certains modes de réalisation de la présente demande.
• [Fig. 6] est une représentation schématique de la réduction du volume cible des reconstructions à partir de plusieurs captures Compton à partir de position proche de la résolution angulaire.
• [Fig. 7] est une représentation schématique de la réduction du volume cible des reconstructions à partir de plusieurs captures Compton lorsque les captures sont déplacées selon un arc centré sur la source.

• [Fig. 8 a] est une représentation schématique, de la reconstruction « classique » d’une des directions du trièdre avec la largeur du cône correspondant aux erreurs de mesure.
• [Fig. 8 b] est une représentation schématique, de la reconstruction « classique » d’une des directions du trièdre avec l’intersection de deux cônes vus par une même caméra présentant deux zones d’intersection étendues.
• [Fig. 8 c] est une représentation schématique, de la reconstruction « classique » d’une des directions du trièdre avec la forme et le volume de cette zone d’intersection correspondant au cas classique : La solution est dégénérée selon l’axe de visée.

• [Fig. 9 a] est une représentation schématique de deux cônes selon deux vues distinctes.
• [Fig. 9 b] est la représentation schématique de la zone d’intersection de ces deux cônes et de son volume.
• [Fig. 9 c] et [Fig. 9 d] sont les l’images de deux sources (²²Na et¹³⁷Cs) détectés par deux vues distinctes selon un mode de réalisation de l’invention (image reconstruite (MLM/MLEM) à partir desdites deux vues selon l’axe X [Fig. 9 c], selon l’axe Z [Fig. 9 d].
  • |Fig. 10] est une représentation schématique de trois caméras Compton réparties sur les trois axes (X, Y, Z) d’un trièdre centré en O.
  • [Fig. 11 a] est une représentation schématique de trois cônes selon trois vues distinctes.
  • [Fig. 11 b] est une représentation schématique de la zone d’intersection desdits trois cônes et de son volume.
  • [Fig. 12] représente un mode de réalisation de l’invention comprenant deux sources de 30 kBq, l’une de¹³⁷Cs, l’autre de²²Na séparées de 15 cm et observées depuis une distance de 50 cm.
  • [Fig. 13 a] représente la coupe X-Z obtenue par reconstruction 3D « classique » en considérant toutes les intersections entre cônes Compton. La position des 2 sources est clairement visible mais l’image présente de nombreux artefacts.
  • [Fig. 13 b] représente la même coupe X-Z obtenue par reconstruction selon certains modes de réalisation de l’invention n’utilisant que les intersections multi vues et montrant nettement la position des deux sources et la quasi disparition des artéfacts.
    

description detaillee de l’invention

La présente invention a donc pour objet de proposer un procédé de reconstruction 3D Compton, des utilisations et un imageur Compton permettant de palier au moins une partie des inconvénients de l’art antérieur.

A cet effet, l’invention concerne un procédé d’imagerie Compton utilisant une ou plusieurs caméras Compton. Lesdites caméras Compton réalisent au moins trois vues , [Fig. 11 a] et [Fig. 11 b] (contenant les centres de capture CC_1,CC_2,CC₃ ) à partir de trois positions connues réparties sur les trois axes (X, Y, Z) passant chacun par un des centres de capture d’une des caméras Compton. De manière avantageuse, la mise en œuvre dudit procédé permet la reconstruction 3D de l’image d’un objet à partir d’un minimum de vues, de préférence trois.

Un avantage d'utilisation du procédé de la présente invention est de permettre de réduire le nombre de vues nécessaires à la reconstruction de l’image qui impose des contraintes (le temps, dose, coût, etc.). Par exemple, multiplier le nombre de vues a un coût, soit en temps de pause si l’on doit déplacer la caméra pour obtenir suffisamment de vues, soit en coût d’équipement si l’on utilise un équipement prenant simultanément plusieurs vues.

Par une réduction de l’incertitude position par acquisition, la mise en œuvre du procédé de la présente invention permet de cumuler les avantages du mode de détection des cameras Compton, de la méthode de sélection originale et inédite des photons requis pour reconstruire l’image 3D.

Selon une particularité, le procédé de la présente invention comporte une étape de reconstruction 3D Compton nécessitant moins de 10 photons/voxels pour reconstruire l’image. Ceci en partie en raison de la finesse de notre méthode de sélection des photons qui en réduisant l’incertitude de position par acquisition améliore la précision de localisation des photons gamma de reconstruction.

Selon une autre particularité ledit procédé permet avec très peu de photons en comparaison avec les imageurs tomographiques classiques actuels, de reconstruire des images tridimensionnelles (3D) de qualité meilleure ou tout au moins équivalente. Ainsi, en effectuant une acquisition simultanée des trois vues, on réduit de manière significative, par exemple dans le domaine médical, le temps, la dose et le coût généré uniquement par les soins, sans tenir compte du matériel.

Un autre avantage non négligeable qui découle de cette précision améliorée de localisation lors de la mise en œuvre du procédé est qu’elle induit la réduction significative des temps d’acquisition.

De plus, s’abstraire des nombreuses contraintes liées aux collimateurs mécaniques est avantageux et, permet aussi d’avoir de grands champs de vue sur l’objet à imager. Cet atout utilisé dans la présente invention permet facilement de couvrir en totalité les objets de grandes et de petites tailles qu’on désire imager avec un minimum de vues.

La collimation électronique des caméras Compton améliore la sensibilité, en comparaison par exemple avec les caméras d’Anger car elle accepte les photons quels que soient leurs angles d’incidence respectifs. Elle est aussi beaucoup plus robuste aux perturbations par des sources secondaires et/ou hors champ. En effet, il est possible d’exclure de la reconstruction les cônes qui contiennent une source secondaire à celle qu’on souhaite étudier, par exemple une source hors champ de mesure. En réalisant un tel traitement on obtient une image et un taux de comptage de la source principale très similaires à ce que l’on obtient en l’absence de source secondaire. Cette collimation électronique est donc apte à exclure des sources ou des photons non désirées et ne retenir que ceux utiles à la reconstruction de l’image pour un gain en qualité et en temps.

Selon une particularité, le procédé de la présente invention comporte une étape de reconstruction 3D Compton nécessitant moins de 10 photons/voxels pour reconstruire l’image. Ceci en partie en raison de la finesse de notre méthode de sélection des photons qui améliore la précision de localisation des photons gamma de reconstruction pour une meilleure image avec moins de coups en comparaison avec les imageurs classiques du même type.

Dans un mode de réalisation, de manière non limitative, il est possible de réaliser une image 3D à partir d’une seule position fixe c’est à dire une seule acquisition (mode planaire).

Dans un autre mode de réalisation, il peut aussi être envisagé de réaliser une ou plusieurs reconstruction(s) tomographique(s) (axiale ou longitudinale) à l’aide du mode tomographique.

Il peut être difficile dans certains cas, à l’aide d’une ou de deux vues seulement, de définir tous les contours d’un objet à imager, ce qui contribue à induire dans les images reconstruites un certain nombre d’artéfacts. Avec moins de trois vues échantillonnant les trois directions de l’espace, des informations peuvent être absentes ou mal résolues pour la reconstruction 3D d’un objet. Deux vues simultanées, même assez proches d’un même objet, permettent toutefois de lever l’indétermination en profondeur dans la reconstruction Compton et présentent de nombreux avantages (amélioration du rapport signal/bruit, réduction des artéfacts.).

Selon une particularité, on réalise une de reconstruction Compton 3D à partir de trois vues, échantillonnant chacune une des trois directions de l’espace. Les temps d’acquisitions et les nombres de coups selon chaque vue définis au gré de l’utilisateur. Telle qu’illustré sur la , I₁et I₂sont les deux points d’interaction et la direction de diffusion est donnée par la droited (I ₁ I ₂ )passant par I₁et I₂. Le point d’absorption I₂sommet du cône Compton est le point repère localisant la position d’une des vues sur l’un des axes, les trois axes formant un trièdre dont l’origine O est le point d’intersection desdits axes.

La localisation précise du lieu d’émission du photon détecté est d’importance cruciale. Pour une mesure idéale selon une vue, l’origine du photon absorbé est obtenue sur la surface du cône Compton (cône de sommet I₂, d’axed (I ₁ I ₂ ), et de demi-angle d’ouverture téta . En prenant en compte les incertitudes de mesure, l’origine dudit photon ne repose plus sur la surface du cône, mais se trouve à l’intérieur d’un volume entourant cette surface [Fig. 8 a].

Avec deux interactions a₁et a₂de deux photons détectés issus d’une même source (S) détectées par la même caméra Compton, sur une même vue (mode 1D), on obtient deux zones d’intersection (z₁et z₂) étendues des cônes Compton [Fig. 8 b], montrant la dégénérescence de la solution suivant l’axe de prise de vue de la caméra Compton utilisée. Cette dégénérescence induit de nombreux artéfacts principalement l’artéfact de la source fantôme dans une image reconstruite. Un autre avantage du procédé de la présente invention est de permettre la levée de ladite dégénérescence.

La taille des volumes d’intersection des cônes en imagerie Compton affecte la rapidité de convergence des algorithmes de reconstruction utilisés.

Les modes 1D, 2D, 3D décris ci-dessous doivent être compris comme étant le nombre de directions spatiales de prise(s) de vue(s). Mode 1D pour prise(s) de vue(s) dans une seule direction ; mode 2D prise(s) de vue(s) dans 2 directions : et mode 3D pour prise(s) de vue(s) dans trois directions.

Mode 1D (prise(s) de vue(s) dans une seule direction)

Selon une variante, deux photons gammas issus de la même source sont détectés par une caméra Compton selon un des axes du trièdre (mode 1D). Pour une reconstruction Compton classique (en mode 1D), les volumes d’intersection des cônes sont assez importants. Par exemple, 2240 cm³pour le volume d’intersection suivant une vue [Fig. 8 c].

Mode 2D (prise(s) de vue(s) dans 2 directions :).

Selon une autre variante, les deux photons gammas sont détectés soit par deux caméras Compton différentes, chacune suivant un des trois axes du trièdre, soit par une seule caméra Compton apte à réaliser successivement deux vues, chacune suivant deux axes différents du trièdre ([Fig. 9 a] ; [Fig. 9 b]).

Une telle disposition des caméras Compton permet d'avoir deux prises de vue distinctes suivant deux axes d'un plan passant par l'objet à imager, les détails de l'objet à imager sont mieux circonscrits, mieux définis et mieux résolus qu'en mode 1D.

Avec deux vues selon X et Y à 90° l'une de l'autre, on a un volume d'interaction des cônes Compton de 1327 cm³[Fig. 9 b]. Inférieur à celui obtenu de l'intersection des cônes Compton en acquisition 1D. Par ailleurs de nombreuses valeurs de X et Y sont exclues, la solution n’est plus dégénérée selon les axes d’observation. Un avantage de ce mode de réalisation est d’accélérer la convergence de l'algorithme de reconstruction.

Les [Fig. 9 c] et [Fig. 9 d] sont les vues et les images obtenues de la reconstruction 2D classique à partir des vues selon X et selon Y à 90° l’une de l’autre. Toutes les intersections entre les cônes sont considérées comme valides. Les vues sont prises suivants les axes X et Y et l'image montrée selon l'axe Z où l'on ne dispose d'aucune observation.

Un des avantages de ce mode réalisation (reconstruction 2D classique) est de mettre en évidence trois problèmes, une ligne d'artéfact selon l'axe de vue, l'image de la source ponctuelle n'est pas sphérique et présente une distorsion selon les mêmes axes que l'artéfact, le temps de calcul de l'image est très long.

Un lissage peut alors être envisagé pour réduire les artéfacts et de meilleures statistiques mais ils resteront problématiques dans le cas d'une source étendue dont on souhaite reconstituer la forme.

Les [Fig. 9 c] et [Fig. 9 d] montrent que ce défaut est réduit si on observe selon l'axe X ou Y ou sont réalisées les observations (vues). Ces défauts sont d’origines diverses, la mauvaise définition des contours de l'objet à imager induit des défauts naturellement moins importants suivant l'axe de vue mais plus important si on n'est pas dans l'axe de vue, l'intersection de la paroi du cône (par exemple issue de Y) qui ne contient pas la source avec l'angle de vue (X dans ce cas). En effet l'angle de prise de vue est dense en cônes selon X, mais pauvre en intersection de cônes issus de Y.

Dans ce mode de réalisation, deux phénomènes intéressants sont mis en évidence, la taille de la tâche qui contient la source est réduite par rapport à une observation selon un seul axe (la résolution spatiale est supérieure).

Un avantage de ce mode de réalisation est qu’il permet de positionner correctement l'objet avec un nombre très faible de photons (une dizaine seulement par voxel contre une 50 pour une image sur au moins une vue simple par exemple).

Selon une autre particularité, ne sont considérées que les intersections de cônes provenant des vues X et Y dans la reconstruction. Toutes les intersections X-X et Y-Y sont éliminées, ce qui a pour effet d’améliorer la précision de localisation de la source, d’accélérer la convergence de l’algorithme, et de réduire les artéfacts dus aux sources fantômes.

Selon une autre particularité, une observation selon l’axe Z réduit davantage les artéfacts. En effet, avec cette observation complète il n’y a plus de direction particulière selon une vue et l’artefact est beaucoup moins marqué. Ainsi, une solution que propose le procédé est, pour limiter ce problème, d’observer le système selon l’axe Z.

Mode 3D (prise(s) de vue(s) dans trois directions).

Selon une autre variante, trois photons gammas issus de la même source sont détectés, soit par trois caméras Compton différentes, chacune suivant un des trois axes du trièdre ( ; ), soit par une seule caméra Compton apte à réaliser trois vues, chacune suivant trois axes différents du trièdre, soit par deux caméras, l’une réalisant une vue suivant un des axes du trièdre et l’autre réalisant successivement les deux autres vues respectivement sur les deux autres axes du trièdre. Ces différentes options de disposition des caméras Compton ont pour but de recouvrir toutes les configurations envisageables pour au final permettre d'obtenir trois prises de vue distinctes suivant les trois axes d’un trièdre.

Selon un mode de réalisation, les vues peuvent être acquises, soit simultanément par trois caméras Compton distinctes, soit séquentiellement par un déplacement d’au moins une caméra Compton sur lesdits 3 axes X, Y et Z du trièdre.

Selon un mode de réalisation, le lieu d’émission (S) du photon détecté coïncide avec le point d’intersection (O) des axes X, Y et Z origine du trièdre .

Selon un autre mode de réalisation, ledit trièdre est un trièdre aux axes X, Y et Z orthogonaux définissant trois directions de l’espace. Trois vues suivant les trois directions de l’espace constituent des conditions optimales d’observation pour une source donnée située à origine dudit trièdre, Dans le cas où le champ de vue est transparent au rayonnement, les vues dessus et dessous sont équivalentes en information, et sont celles ou les axes joignant la source à la caméra constituent un trièdre orthogonal.

Dans un mode de réalisation, on observe simultanément la source selon les 3 axes du trièdre et on ne considère que les intersections qui comprennent les trois angles de vue, il n’existe dans le cas le plus général que 8 solutions ponctuelles possibles pour la source dans l’espace, 8 zones restreintes si les cônes ont une certaine épaisseur due aux incertitudes [Fig. 9 a].

Dans le cas où les 3 prises de vues sont réalisées de telle manière que l’angle du trièdre entre les 3 caméras et la position de la source est de 90°, Il y a deux zones positions possibles qui sont dans une gamme de distance à chacune des vues relativement réduites. Les solutions ne sont plus dégénérées dans aucune direction. Le volume de la zone des solutions est plus réduit que dans les modes 1D et 2D. Avec trois vues, le volume d'interaction des cônes Compton [Fig. 11 b] est de 360 cm3, environ 20 fois inférieur à celui obtenu de l'intersection des cônes Compton en mode 1D et 2D. Ceci accélère davantage la convergence de l'algorithme de reconstruction classique utilisé. De plus la résolution spatiale des images reconstruite est améliorée en passant d’une reconstruction 2D a une reconstruction 3D.

Selon une autre variante de réalisation, le procédé contient une méthode de reconstruction Compton dans laquelle ne sont retenues que les intersections de cônes issues de vues différentes. Un des avantages étant par exemple, l’amélioration de la précision de localisation de la source qui permet une meilleure réduction des artéfacts de source fantôme dans l’image reconstruite.

Si on compare 2 intersections de cônes en mode 3D contenant une même source mais correspondant à deux groupes de photons différents, la probabilité que les solutions « fantômes » coïncident est très faible. La technique de reconstruction va donc converger avec un nombre très limité de photons. (Dans une moindre mesure c’est aussi le cas quand on considère toutes les intersections).

On passe d’une technique d’imagerie basée sur une approche probabiliste qui nécessite un nombre important de photons (50 pour une image 1D) à une technique d’imagerie quasi déterministe qui pourrait fournir une image correcte avec moins de 10 photons/voxel. Un autre avantage qui en découle est de permettre de détecter de manière certaine une faible contamination avec un nombre réduit de photons.

On notera qu’un voxel est généralement défini comme une unité d’image volumique dont la géométrie est variable (cubique, cylindrique, sphérique, etc.) et que ce terme ne doit pas être entendu de manière limitative.

Un autre intérêt d’imposer la présence de cônes provenant des 3 vues pour considérer une zone d’intersection comme valide, est que cela va considérablement accélérer la convergence de l’algorithme de rétroprojection en supprimant les zones non pertinentes pour localiser la source.

Un autre intérêt est que cette réduction des incertitudes amène à réduire les dimensions de la tâche qui contient l’image de la source. Avec trois vues on a une meilleure résolution angulaire de la caméra Compton.

Selon une autre variante, ledit procédé d’imagerie Compton contient en outre un processus de dépouillement Compton, utilisé dans le cas où l’intensité de la source est identique entre plusieurs vues, pour filtrer les évènements parasites pour lesquelles ladite intensité de la source ne satisfait pas à la loi de l’inverse des distances au carré, ne variant pas comme 1/d²sur chacune des vues, d étant la distance de la source à la caméra sur chacune des vues.

Lorsque l’on observe une source donnée simultanément à partir de plusieurs points ou si l’intensité de la source de radiation n’est pas significativement variable durant le temps d’observation et les positions relatives des prises de vues dans l’espace sont précisément connues, il est possible d’exclure certaines des solutions issues des intersections de cônes en tenant compte de la loi de variation du nombre de photons détectés avec la distance.

En particulier, si les vues de la source sont simultanées, il est possible dans la plupart des cas de déterminer laquelle des deux solutions est la bonne car le nombre de photons détectés par chaque caméra doit varier comme 1/d²en fonction de l’éloignement de la source, ce qui n’est pas en général vérifié pour la source « fantôme ».

L’utilisation de cette règle en 1/d²permet d’exclure un certain nombre de solutions principalement celles qui sont générées par les sources fantômes.

Une autre variante d’utilisation de cette règle en 1/d²permet dans la présente invention d’affiner les résultats de métrologie des flux de photon, de mesure d’activité, de localisation précise et indentification de diverses types sources et points chauds.

Dans le cas où l’objet à imager présente une absorption notable du rayonnement, les vues selon l’axe X et selon l’axe -X ne sont pas nécessairement équivalentes et doivent être observées. Dans ce cas on pourra être amené à réaliser 6 vues, voire plus selon l’importance de l’absorption du rayonnement.

A contrario, l’atténuation due au rayonnement diffusé (imagerie médicale) n’est pas gênante puisqu’il est possible d’obtenir des images quantifiées du rayonnement diffusé.

La présente invention concerne en outre un imageur Compton comportant au moins une caméra Compton, apte à réaliser au moins trois vues successives ou simultanées et mettant en œuvre le procédé d’imagerie Compton selon les particularités ci-dessus décrites.

Selon un mode de réalisation, ledit imageur Compton comporte une caméra Compton montée sur un cadre définissant le trièdre.

Selon un autre mode de réalisation, au moins une des caméras Compton dudit imageur Compton est montée sur au moins un bras articulé pouvant successivement, et simultanément se mouvoir dans toutes les directions de l’espace et être orienté suivant les angles d’Euler, soit en mode automatique, soit en mode manuel. Ceci facilite le déploiement des caméras autour de l’objet à imager et, permet aussi d’envisager et réaliser tous types d’orientations possibles et souhaitées pour différentes dispositions des têtes de vues de chacune des Caméras. Un autre avantage est de permettre de rapprocher les têtes de détection au plus près de la zone à imager et ainsi réduire le temps d'acquisition et par la même la dose et, d’améliorer la résolution spatiale de l’image, de pouvoir réaliser les différentes positions de vues souhaitées quelques soient les contraintes géométriques.

Selon un autre mode de réalisation, le pilotage du mode automatique est réalisé à distance. Ainsi pour certaine utilisation il n’est pas nécessaire d’avoir un opérateur à proximité de l’objet à imager.

Selon un autre mode de réalisation lesdites caméra Compton sont montées sur des aéronefs (par exemple un drone, …) ou sur un drone terrestre permettant ainsi de réaliser des vues d’un objet à imager situé dans une zone d’accès particulièrement contraignante (en mer, espace, zone contaminée, …).

De manière non limitative, la présente invention concerne l’utilisation de l’imageur Compton selon les particularités ci-dessus décrites dans de nombreux domaines (santé, industrie, environnement, sécurité).

Dans le domaine de la santé par exemple, un des intérêts principaux de l’imagerie Compton 3D par rapport aux autres modalités d’imagerie, l’imagerie PET par exemple, elle permet d’obtenir des images tomographiques, certes moins résolues, mais d’une part avec une dose injectée d’un facteur 10 à 20 plus faible, et contribue de manière significative à l’amélioration de la radioprotection des patients, du personnel, des animaux, de l’environnement.

D’autre part, le faible coût du dispositif de la présente invention par rapport à un PET scan (5% du coût d’un PET scan) le rend plus accessible.

De plus, la faible empreinte des détecteurs, donc un accès aisé au patient, favorise la mise en place de nouvelles applications telle que la chirurgie guidée par l’image etc.

De manière non limitative, la présente invention concerne l’utilisation de l’imageur Compton pour l’’imagerie médicale, pour l’imagerie vétérinaire, pour les contrôles précliniques.

Un des avantages de l’imageur Compton de la présente invention est qu’il est particulièrement adapté à l’imagerie de gros animaux (chevaux, vaches, éléphant, girafe …).

Selon une autre particularité d’utilisation, le procédé et l’imageur Compton de la présente demande concerne en outre le domaine des études de pharmacocinétique (diffusion du traceur dans l’organisme). Un balayage des patients potentiellement cancéreux pour localiser les points chauds, la dose injectée étant si faible (et donc bon marché) qu’elle n’impose pas de risque audit patient. Il permet aussi d’accroître le nombres images fréquentes post-traitement pour un meilleur suivi des patients avec une dose fortement restreinte.

Ainsi, l’utilisation de l’imageur Compton de la présente invention permet pour un patient, un cumul d’avantages en qualité de soins, en coût et temps traitement, meilleur suivit post-traitement.

De manière non limitative, la présente invention concerne l’utilisation de l’imageur Compton dans l’industrie par exemple pour la détection des défauts dans divers types de structures, pour effectuer le contrôle non destructif etc.

De manière non limitative, la présente invention concerne l’utilisation de l’imageur Compton pour obtenir l’image de distributions de radioactivité, en déduire l’activité d’une ou de plusieurs sources dans l’industrie, localiser (lieu d’émission du photon) les sources dans les contenants. En effet avec une mesure précise des diffusés on avoir une bonne estimation de l’activité réelle d’une source.

Par exemple, la mise en œuvre du procédé sur un fût de stockage de dimensions 600 x 925 mm (qui peut être une bonne approximation de la taille du torse humain) conduit à une image (MLM/MLEM) en 20 minutes à 1,3 mètre du centre avec une dose de seulement 4,5 MBq de⁶⁰Co à l’aide du procédé de reconstruction Compton 3D décrit dans la présente invention. De manière comparative, pour un scanner PET avec un temps de pose équivalent (20 minutes) on injecte 250 MBq, avec les détecteurs PET disposés à moins de 40 cm du centre de l’objet à imager.

Un autre exemple illustré par la montre un mode de réalisation de l’invention où deux sources (¹³⁷Cs et²²Na) de 30 kBq chacune, séparées de 15 cm sont observées (3 vues suivant trois directions distinctes) à une distance de 50 cm de l’origine du trièdre. En comparant nos images reconstruites par une méthode classique (toutes intersections) (MLM/MLEM) [Fig. 13 b] à celles obtenues en utilisant les mêmes paramètres de reconstruction et d’acquisition [Fig. 13 a] sur un imageur Compton par la méthode selon certains modes de réalisation de l’invention (seulement les intersections multi vues) , on observe sans aucune ambiguïté une nette amélioration.

Selon une particularité non limitative, l’imageur Compton décrit est appliqué à l’humain, avec le même champ de vue, trois caméras Compton étant à 40 cm du centre de la zone d’intérêt. Le nombre de photons détectés augmente d’un facteur 10. Une image tomographique est obtenue en 2 minutes, soit en lui injectant seulement 0,5 MBq, soit une image mieux résolue en posant plus longtemps. Les trois paramètres (temps, dose, qualité d’image) pouvant être ajustés en fonction de la pertinence, de l’analyse, d’une manière générale en fonction de l’information recherchée.

Suivant une particularité d’utilisation, l’invention concerne l’utilisation de l’imageur Compton pour réaliser des images tomographiques en rayonnement gamma (d’un être vivant, d’un animal, …) avec une dose injectée inférieure à 20 MBq pendant un temps t inférieur à 20 minutes. On cumule ainsi pour un patient les nombreux avantages (en qualité des soins, en coût, temps de traitement, ALARA, …) mis à disposition par le dispositif.

Un autre avantage des caméras Compton est la possibilité qu’elles offrent de réaliser des vues avec de grandes tailles de champ. Par rapport aux caméras TEP la différence de champ de vue est significative (8100 degrés carrés contre 25 degrés carrés si on utilisait des modules PET de même taille).

Un autre avantage pour l’utilisation des caméras Compton est qu’en imagerie Compton, on image une densité de probabilité. L’image est sensible au voisinage, ce qui accélère la convergence de la reconstruction. Contrairement à l’image PET qui est pointilliste, chaque LOR étant indépendante.

Selon une autre particularité d’utilisation, le procédé et l’imageur Compton de la présente demande est adapté et tout aussi efficace dans le cas des sources dont l’intensité est constante ou faiblement variable au cours du temps.

Selon une particularité, Il est possible en faisant bouger la caméra et en réalisant au moins 3 poses (vues) d’un même objet de manière à ce que le vecteur joignant la source et la caméra ait des projections d’au moins 50% (au total ou 50% suivant chaque axe) selon les 3 axes d’un trièdre orthogonal. Le cas où les 3 observations ont lieu selon un trièdre (X, Y, Z) par rapport à la source est optimal. Ceci peut être fait par exemple en installant une caméra selon l’invention sur un bras robotique ou un drone terrestre ou aérien. Le but étant d’avoir toutes les configurations nécessaires pour éviter d’avoir des vues manquantes.

Dans le cas où la source est variable (applications médicales) ou si l’on souhaite avoir une durée d’acquisition des images aussi courte que possible, il est avantageux d’acquérir simultanément les 3 vues selon X, Y, Z durant une seule et même pose.

Selon une autre particularité, l’invention concerne l’application du procédé et de l’imageur Compton décrit dans le domaine de l’industrie nucléaire pour réaliser une tomographie 3D des contenants de substances radioactives (par exemple les fûts de déchets) en les observant pendant moins de 20 minutes dans une installation dédiée. Ainsi on obtient une visualisation tomographique de la répartition de la radioactivité isotope par isotope (le détecteur est-il initialement calibré aux différentes énergies des divers isotopes) dans le fut de déchet. Ceci permet de connaître finement le contenu d’un fut et de prévoir d’éventuels problèmes lors de son pressage (radioprotection). Étant donné que l’on dispose de la distance et de l’activité de l’isotope point par point, il est possible de calculer précisément le terme source isotope par isotope et ensuite calculer l’activité aux parois du contenant sans avoir besoin d’exposer un opérateur à la radioactivité. Cela permet également d’observer des zones inaccessibles telles le fond d’un fût.

Selon un mode de réalisation, l’imageur Compton de la présente invention comporte au moins une tête CT-Scan permettant de réaliser une image tomodensitométrique. Un avantage de ce mode de réalisation est de permettre à l’utilisateur d’effectuer des corrections d’atténuation. La tête CT-scan fournit une image du squelette et permet en outre d’améliorer la localisation d’un organe dans l’organisme par rapport au repère osseux.

La tête CT-Scan de la présente invention inclut tout type de combinaison tube de rayon X détecteur permettant de déterminer les cartes d’atténuation ou de réaliser des images par rayon X.

Selon une particularité, l’imageur Compton est couplé à un accélérateur médical pour effectuer des mesures de dosimétrie-in vivo et ainsi permet de contrôler que le traitement réellement délivré est bien celui qui a été planifié.

Le terme accélérateur médical désigne ici tout type de dispositif médical de traitement générant d’une manière quelconque les photons gamma ou X, d’énergies à portée desdites caméras Compton supérieur à 200 keV.

Selon un mode de réalisation le couplage est réalisé à l’aide de bras articulés facilitant un positionnement optimal souhaité pour la mesure à réaliser.

Selon un mode de réalisation, les têtes de détection sont chacune en regard autour d’un banc, ledit banc apte à effectuer des mouvements de translation et rotation dans un plan.

Le banc décrit ci-dessus pouvant être un lit, une table ou tout autre dispositif du même type permettant le bon positionnement de la zone à imager dans le ou les champ(s) de vue des caméras Compton.

Les mouvements de translations et rotation non seulement facilitent le positionnement mais de manière plus importante permettent d'effectuer une acquisition en mode balayage (pas à pas ou en continue).

Le mode balayage ci-dessus décrit comprend un déplacement du banc dans la direction souhaitée pour permettre d'imager des zones hors de portée des champs de vue des cameras Compton (par exemple en médecine une acquisition corps entier pour voir la distribution d'un radionucléide dans l'ensemble de l'organisme).

L’invention concerne en outre l’utilisation de l’imageur Compton de la présente invention pour améliorer le contrôle des traitements en hadron thérapie. En effet, la corrélation entre la position d’émission des gammas prompt et la position du pic de Bragg permet de contrôler la qualité des traitements en hadron thérapie. L’énergie des gammas prompts varie de quelque centaine de keV à plusieurs MeV favorisant la diffusion Compton. Dans ce mode de réalisation, l’imageur Compton de la présente invention permet avec une précision de localisation inégalée le lieu d’émission de chaque photons gamma prompt. Ainsi la corrélation peut être faite et facilite le suivi des traitements. Un autre avantage d'utilisation dudit imageur Compton est sa très bonne résolution en énergie lui permettant de détecter et discriminer tout le spectre desdits gammas prompts. Un intérêt supplémentaire de l’invention est la résolution temporelle des détecteurs employés (inférieur à 200 picosecondes / ps) permettant d’attribuer les photons détectés à une phase particulière du flux pulsé de photons détectés (par exemple front montant du pulse de photons émis par l’appareil)

De manière non limitative, la présente invention concerne l’utilisation de l’imageur Compton pour améliorer la radioprotection des patients, du personnel, des animaux, de l’environnement en présence d’une ou de plusieurs sources radioactives.

De manière non limitative, dans le domaine de la sécurité, il peut être envisagé une mise en œuvre du procédé de la présente demande par les services douaniers par exemple pour la détection et localisation de sources (même de très faibles) dans les containeurs par exemple ou tout autres types de cible d’intérêts.

On comprend aisément à la lecture de la présente demande que les particularités de la présente invention, comme généralement décrites et illustrées dans les figures, peuvent être arrangées et conçues selon une grande variété de configurations différentes. Ainsi, la description de la présente invention et les figures afférentes ne sont pas prévues pour limiter la portée de l'invention, mais représentent simplement des modes de réalisation choisis.

L’homme de métier comprendra que les caractéristiques techniques d’un mode de réalisation donné peuvent en fait être combinées avec des caractéristiques d’un autre mode de réalisation à moins que l’inverse ne soit explicitement mentionné ou qu’il ne soit évident que ces caractéristiques sont incompatibles. De plus, les caractéristiques techniques décrites dans un mode de réalisation donné peuvent être isolées des autres caractéristiques de ce mode à moins que l’inverse ne soit explicitement mentionné.

Enfin l’homme de métier comprendra que les informations contenues dans les figures, notamment celles de à [Fig. 11 b], seront des informations techniques incorporables au présent texte en tant qu’annexe.

Il doit être évident pour les personnes versées dans l’art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l’éloigner du domaine défini par la protection demandée, ils doivent être considérés à titre d'illustration et l’invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus.

CC. Centre de capture
PRC, PC1, PC2. Plans de Reconstruction de l’imagerie Compton
DR. Disques de Reconstruction de l’imagerie Compton
A, A1, A2. Artéfacts obtenus par l’imagerie classique
S. Source
DIC. Distance Inter-centres de capture
AIC. Angle inter-centres de capture

Claims (20)

1. Procédé permettant de créer une image tridimensionnelle et/ou tomographique d’un objet en rayonnement gamma d’imagerie Compton caractérisé en ce qu’il comporte une ou plusieurs caméras Compton réalisant au moins trois vues à partir de trois positions connues réparties chacune sur un des trois axes (X, Y, Z) d’un trièdre, les champs d’acquisition desdites vues possédant au moins une zone de recouvrement couvrant l’objet à imager
2. Procédé d'imagerie Compton selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une méthode de reconstruction utilisant moins de 10 photons/voxel par vue pour reconstruire l'image 3D,
3. Procédé d’imagerie Compton selon la revendication 1 à 2, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de collimation électronique apte à exclure des sources ou des photons provenant des zones que l’on souhaite exclure de l’image.
4. Procédé d’imagerie Compton selon la revendication 1 à 3, caractérisé en ce que les vues peuvent être acquises soit simultanément par trois caméras Compton distinctes, soit séquentiellement par un déplacement d’au moins une caméra Compton sur lesdits 3 axes du trièdre.
5. Procédé d’imagerie Compton selon la revendication 1 à 4, caractérisé en ce que ledit trièdre est un trièdre aux axes X, Y et Z orthogonaux définissant trois directions de l’espace, la source à imager étant à l’origine du trièdre.
6. Procédé d’imagerie Compton selon la revendication 1 à 5, caractérisé en ce qu’il contient une méthode de reconstruction tomographique dudit objet à imager à partir d’au moins deux vues Compton dont les champs de vue sont répartis dans les trois dimensions (X, Y, Z) de l’espace.
7. Procédé d’imagerie Compton selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il contient une méthode de reconstruction Compton dans laquelle ne sont retenues que les intersections de cônes issues de vues différentes.
8. Procédé d’imagerie Compton selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il contient un processus de dépouillement Compton, utilisé dans le cas où l’intensité de la source est identique entre plusieurs vues, pour filtrer les évènements parasites pour lesquelles ladite intensité de la source ne satisfait pas à la loi de l’inverse des distances au carré, ne variant pas comme 1/d²sur chacune des vues, d étant la distance de la source à la caméra sur chacune des vues.
9. Imageur Compton comportant au moins une caméra Compton, réalisant au moins trois vues successives ou simultanées par la mise en œuvre du procédé selon les revendications précédentes.
10. Imageur Compton selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’il comporte une desdites caméras Compton montée sur un cadre définissant ledit trièdre.
11. Imageur Compton selon l’une des revendications 9 ou 10 caractérisé qu’au moins une desdites caméras Compton est montée sur au moins un bras articulé pouvant successivement, et simultanément se mouvoir dans toutes les directions de l’espace et être orienté suivant les angles d’Euler, soit en mode automatique, soit en mode manuel.
12. Imageur Compton selon au moins l’une des revendications 9 à 10, caractérisé en ce qu’il comporte au moins une tête CT-Scan permettant de réaliser une image tomodensitométrique
13. Imageur Compton selon au moins l’une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu’il est couplé à un accélérateur médical
14. Imageur Compton selon au moins l’une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce les têtes de détection sont chacune en regard autour d'un banc, ledit banc étant apte à effectuer des mouvements de translation et rotation dans un plan
15. Utilisation de l’imageur Compton selon au moins l’une des revendications 9 à 14, dans les domaines de l’imagerie médicale, vétérinaire et préclinique.
16. Utilisation de l’imageur Compton selon au moins l’une des revendications 9 à 14 pour le contrôle non destructif.
17. Utilisation de l’imageur Compton selon au moins l’une des revendications 9 à 14 pour obtenir l’image de distributions de radioactivité dans l’industrie.
18. Utilisation de l’imageur Compton selon au moins l’un des revendications 9 à 14 pour obtenir une image tomographique en rayonnement gamma d’un être vivant avec une dose injectée inférieure à 20 MBq en moins de 20 minutes
19. Utilisation de l’imageur Compton selon au moins l’une des revendications 9 à 14 pour améliorer la radioprotection des patients, du personnel, des animaux, de l’environnement en présence d’une ou de plusieurs sources radioactives.
20. Utilisation de Imageur Compton selon au moins l’une des revendications 9 à 14 pour améliorer le contrôle des traitements en hadron thérapie.