CE19 - Technologies pour la santé

Développement d’un cristal « scintronique » pour les applications d’imagerie ultra-rapide de rayons gamma – ClearMind

Développement d’un cristal « scintronique » pour les applications d’imagerie ultra-rapide de rayons gamma

Nous proposons de développer un détecteur sensible à la position constitué d’un cristal scintillant sur lequel est directement déposée une couche photoélectrique d’indice de réfraction supérieur à celui du cristal. Ce cristal « scintronique », permet d’optimiser la transmission des photons de scintillation et des photons de lumière Cherenkov à la couche photoélectrique sans utilisation d’un couplage optique et sans perte par réflexion totale aux grands angles d’incidence.

Contexte, positionnement et objectifs de la proposition

Récemment, le développement de nouveaux types de photo-détecteurs compacts ultra-rapides a permis d’améliorer le temps de résolution en coïncidence (CRT) de chaînes spectrométriques à scintillation en- dessous des 100 ps FWHM. Ces détecteurs sont constitués de scintillateurs rapides de type LSO, LYSO, ou LaBr3, CeBr3 peu épais, couplés optiquement à des matrices de SiPM. <br />Une nouvelle frontière technologique apparaît dès lors, à l’orée des 10 ps FWHM, qui permet d’entrevoir des applications d’imagerie ultra-rapide de rayons gamma. Par exemple, en TEP, une image pourrait être acquise en temps-réel sans recourir à la reconstruction tomographique. <br /> <br />Aujourd’hui la résolution en énergie ainsi que la résolution spatiale sont limitées par le rendement de scintillation et l’efficacité de la collection des photons de scintillation. La résolution spatiale est de plus limitée par la diffusion et les réflexions multiples des photons dans le cristal scintillant. <br />La résolution en temps est limitée par la forme de l’impulsion scintillante, à savoir son temps de montée et sa période de décroissance, ainsi que par l’efficacité à collecter ces photons de scintillation. A ce titre, la génération de quelques dizaines de photons Cherenkov lors de l’interaction photoélectrique ou Compton peut être considérée comme pratiquement instantanée par comparaison à la production de photons de scintillation. La collection des photons Cherenkov, comme celle des photons de scintillation, est également impactée par les réflexions aux surfaces du cristal. De plus la résolution en temps du détecteur peut être limitée par l’incertitude sur la profondeur d’interaction dans le cristal. <br /> <br />L’originalité de notre détecteur consiste à : <br />- améliorer l’efficacité de collection lumineuse dans un cristal à grand numéro atomique effectif et <br />haute densité par le dépôt d’une couche photoélectrique directement sur la face de sortie du cristal <br />scintillant, <br />- encapsuler ce cristal scintronique avec un multiplicateur à galette de micro-canaux, <br />- exploiter l’émission de lumière Cherenkov pour améliorer la résolution en temps du détecteur, <br />- exploiter la carte des photoélectrons produits à la surface du cristal pour reconstruire les propriétés <br />de l’interaction gamma au moyen d’estimateurs statistiques robustes et de méthodes dites multi- variées.

We want to make the ClearMind prototypes in two phases.
Phase 1: It consists in a proof of principle on a “thin” detector, ~10 mm thick, instrumented on one face. We will measure the performances of the prototypes and compare them to the predictions of a Monte Carlo simulation using the GATE simulation platform. This will allows us to develop and test all the techniques quickly and to understand issues related to them.
Phase 2: It consists in the realization of a ~20 mm thick detector, instrumented on both faces. This detector should reach the efficiency, spatial and temporal resolutions required for building the next generation of PET cameras.
We will study the possibility of instrumenting both sides of the crystal in “scintronic” technology. If this proves to be technologically difficult or too expensive, we will instrument the second face using a SiPM matrix or an MCP-PMT mounted by means of an optical joint. SiPM has the advantage of a smaller amount of matter in the path of the gamma photon and a relative simplicity of implementation. Its disadvantages are high dark count rates and a possible emission of light resulting from in the SiPM avalanches. Our study will decide the impact of these phenomena.

At the end of this second phase, the Monte Carlo simulation will be used to a estimate the potential of this technology to realize a TOF full body PET imager.

- Nous avons développé une technique de dépôt de photocathode sur cristal de PbWO4, (soumise à NDA). Elle a permis d’intégrer un premier prototype de détecteur ClearMind Phase 1, avec la société Photek.
- Nous avons développé les électroniques analogiques et digitales nécessaires à la lecture des MCP-PMT. Celles-ci donnent toute satisfaction.
- Nous avons développé un banc de test de photodétecteurs rapides, qui nous permet de mesurer les performances des MCP-PMT associés à leurs électroniques de lecture. Publié.
- Nous avons développé un banc de mesure de rendement quantique des photocathodes. Fonctionnel.
- Nous avons développé un banc d’étude des propriétés physiques du cristal scintillant PbWO4. Publié.
- Nous avons développé une simulation physique détaillée de toute la chaîne de lecture d’un prototype ClearMind Phase 1, sous les logiciels Geant4 et GATE, suivi de codes en C++ (publication est en préparation). Cela nous a amené à développer de nouveaux outils de simulation sous Geant4, (communications en conférence et compte-rendu).
- Nous avons installé le banc mécanique d’expérimentation tomographique dans la salle d’imagerie nucléaire du CPPM.
- Premier Prototype ClearMind Phase 1 livré fin octobre 2021. Il a été testé au laboratoire le mois suivant. Cela valide une maîtrise technologique de l’ensemble de la chaîne de détection, même si les performances de ce premier détecteur doivent être largement améliorées.

Continuer d'avancer sur notre programme de travail.

- D. Yvon , et al., «Design study of a scintronic crystal targeting tens of picoseconds time resolution for gamma ray imaging: the ClearMind detector,« 2020, JINST 15 P07029
- M. Follin, et al, «High resolution MCP-PMT Readout Using Transmission Lines,«NIMA,1027 (2022)166092, doi.org/10.1016/j.nima.2021.166092
- M. Follin, et al., «Scintillating properties of today available lead tungstate crystals«, JINST 16 (2021) P08040, doi.org/10.1088/1748-0221/16/08/P08040
- L. Cappellugola, et al. «Modelisation of light transmission through surfaces with thin film optical coating in Geant4«, IEEE-NSS/MIC Conf. Report, 2021.

Le projet ClearMind a pour but de développer un détecteur monolithique de rayons gamma (0.5 MeV à quelques MeV) de grande surface (= 25 cm2), de grande efficacité et de hautes résolutions spatiale (< 4 mm3, FWHM) et temporelle (< 20 ps FWHM, hors collection et amplification des photoélectrons).
Notre motivation est d’améliorer les imageurs médicaux Tomographes à Emission de Positrons (TEP). Nous proposons de développer un détecteur sensible à la position constitué d’un cristal scintillant sur lequel est directement déposée une couche photo-électrique d’indice de réfraction supérieur à celui du cristal. Ce cristal « scintronique », qui allie scintillation et génération de photo-électrons, permet d’optimiser la transmission des photons de scintillation et des photons de lumière Cherenkov à la couche photo-électrique. Nous attendons un gain d’un facteur 4 sur la probabilité de transmission des photons optiques entre le cristal et la couche photoélectrique, par rapport aux montages classiques. Le cristal sera encapsulé avec un tube multiplicateur à galette de micro-canaux (MCP-MT) afin d’amplifier le signal et d’optimiser le temps de transit des photo-électrons vers le plan d’anodes de détection (densément pixélisé) et ainsi les résolutions temporelle et spatiale de la chaîne de détection.

L’originalité de notre détecteur consiste à :
- améliorer l’efficacité de collection lumineuse dans un cristal à grand numéro atomique effectif et haute densité par le dépôt d’une couche photoélectrique directement sur la face de sortie du cristal scintillant.
- exploiter l’émission de lumière Cherenkov. Le gain en couplage optique permet d’optimiser la mesure des temps basée sur les photons Cherenkov, intrinsèquement très rapides.
- exploiter la carte des photo-électrons produits à la surface du cristal pour reconstruire les propriétés de l’interaction gamma au moyen d’estimateurs statistiques robustes et d’algorithmes de traitement de l’information utilisant des méthodes muti-variées et un apprentissage supervisé (i.e. machine learning). Les photons de scintillation apportent alors la statistique nécessaire pour une mesure de l’énergie déposée dans le cristal, modeste mais compatible avec un usage sur un imageur TEP, et une mesure précise des coordonnées de la position d’interaction du rayon gamma.
- L’acquisition rapide des formes des signaux (technologie SAMPIC), qui facilite l’optimisation du détecteur.
- La maîtrise du nombre de voies d’électronique (et des contraintes associées) tout en gardant des performances optimales.

Nous proposons de réaliser les prototypes ClearMind en deux phases.
La Phase 1 consiste en une démonstration de principe sur un détecteur « mince », ~ 10 mm, instrumenté sur une face. Nous mesurerons les performances des prototypes, et les comparerons un modèle Monte Carlo, au moyen de l’outil GATE. Cela devrait permettre de mettre en place rapidement toutes les technologies et d’appréhender concrètement leurs enjeux. Echéance 18 mois.
La Phase 2 prévoit la réalisation d’un détecteur épais, ~ 20 mm instrumenté deux faces. Nous réaliserons des détecteurs d’efficacité, de résolution spatiale et temporelle optimisées, proches de ce qui pourra être utilisé dans de futures machines TEP. Echéance 30 mois.
La simulation Monté Carlo permettra alors une projection du potentiel de la technologie pour réaliser un imageur TEP cérébral temps de vol, (et alternativement TEP corps entier).
Nos démarches auprès des industriels appelés à intervenir dans l’élaboration des prototypes ont débouché sur des devis et délais très compatibles avec l’échéancier et le budget présenté dans ce dossier.

Coordinateur du projet

Monsieur Dominique Yvon (Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l'Univers)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS DR12_CPPM Centre National de la Recherche Scientifique Délégation Provence et Corse_Centre de physique des particules de Marseille
LAL Laboratoire de l'accélérateur linéaire
IRFU Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l'Univers

Aide de l'ANR 638 520 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2019 - 36 Mois

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