Détecteur optique Cherenkov de photons 511 keV, rapide et efficace, pour l’imagerie TEP

Fast and efficient optical Cherenkov detector for PET

• Auteur / Autrice : Clotilde Canot
• Direction : Viatcheslav Sharyy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 03/07/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Fabian Zomer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Viatcheslav Sharyy, Fabian Zomer, Giovanni Calderini, Stéphane Monteil, Dominique Thers
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giovanni Calderini, Stéphane Monteil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photomultiplicateurs

Galettes de microcanaux

Tomographie par émission

Čerenkov, Détecteurs de

Mots clés libres

Détecteur Cherenkov

TEP-TOF

MCP-PMT

Cherenkov Detector

PET-TOF

MCP-PMT

Résumé

La Tomographie par Emission de Positrons (TEP) est une technique d’imagerie médicale utilisée largement dans le traitement du cancer et dans la recherche neurobiologique, afin d’imager l’activité biologique des organes. Il s’agit de détecter deux photons de 511 keV produits par l’annihilation d’un positron dans les tissus, ce qui permet d’en reconstruire la carte 3D. En mesurant avec une très bonne précision la différence de temps de détection des deux photons, il sera possible d’améliorer la qualité d’image (technique du temps de vol). Dans ce manuscrit, nous présentons le développement de deux détecteurs innovants, rapides et efficaces, pour la détection de la lumière Cherenkov produite par la conversion des photons de 511 keV. Le premier, destiné à un scanner clinique (cerveau) et pré-clinique à haute précision spatiale, utilise comme milieu de détection du TriMéthylBismuth. Le second, pouvant être utilisé pour construire un scanner corps entier, met en œuvre un cristal de PbF₂ comme radiateur Cherenkov. Dans les deux configurations, un photomultiplicateur à micro-canaux (MCP-PMT) est utilisé pour détecter les photons Cherenkov. Notre électronique de détection montre une résolution temporelle limitée à 5 ps (RMS). La chaîne de détection est limitée par les performances du MCP-PMT. Après étalonnage, nous avons mesuré une efficacité de 25 % (grande pour un détecteur Cherenkov), et de résolution temporelle de 200 ps (FWHM).Nous exposons les facteurs limitant la résolution temporelle des détecteurs et proposons des développements qui permettront d’en améliorer les performances.

Positron Emission Tomography (PET) is a nuclear imaging technique widely used in oncology and neuroscience to observe biological activity in the body. Detection of two gamma quanta with the energy 511 keV emitted by positron annihilation in tissues allows one to reconstruct the tracer activity distribution in the body of the patient. Additional measurement of the difference in time detection between the two photons lets us to improve significantly the quality of the reconstructed image (time-of-flight method).In this manuscript, we present the development of two innovative detectors, fast and efficient, used to detect Cherenkov light produced by electrons from the photo-ionization conversions of 511 keV gamma quanta. The first one, intended for use in a brain PET scanner of a high spatial resolution, uses TriMethylBismuth for the detection medium. The second one, planned to be used to construct a whole-body PET scanner, enforces a PbF₂ crystal as Cherenkov radiator. In both configurations a micro-channel photo-multiplier (MCP-PMT) is used to detect Cherenkov photons. We commissioned an electronic detection chain with a time resolution limited to 5 ps (RMS). Using precise MCP-PMT calibration, we were able to develop simultaneously detectors with high efficiency, up to 25 %, and time resolution as good as 200 ps (FWHM).We highlight the limitations of detectors time resolution and suggest several developments in order to improve performances of Cherenkov light detectors.