Simulation de l'imagerie à 3γ avec un télescope Compton au xénon liquide

Simulation of the 3γ imaging using liquid xenon Compton telescope

• Auteur / Autrice : Abdul Fattah Mohamad Hadi
• Direction : Hugues Delagrange
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Constituants élémentaires et physique théorique
• Date : Soutenance le 17/06/2013
• Etablissement(s) : Nantes, Ecole des Mines
• Ecole(s) doctorale(s) : Matière, molécules, matériaux en Pays de la Loire
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire SUBATECH Nantes / SUBATECH
• Jury : Président / Présidente : Irène Buvat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Luquin, Sébastien Jan, Jean-Pierre Cussonneau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Dauvergne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons gamma

Scandium

Monte-Carlo, Méthode de

Xénon

Imagerie médicale -- Qualité de l'image

Mots clés libres

Simulation Monte Carlo

GATE

Geant4

Imagerie médicale

3γ

Xénon liquide

Télescope Compton

TPC

Scandium

Monte Carlo Simulation

GATE

Geant4

Medical imaging

3γ

Liquid xenon

Compton telescope

Scandium

Résumé

L’imagerie 3γ est une technique innovante d’imagerie médicale nucléaire qui est étudiée au laboratoire SUBATECH. Elle repose sur la localisation tridimensionnelle d’un radioisotope émetteur (β+, γ), le 44Sc, à l’aide d’un télescope Compton au xénon liquide. Le lieu de désintégration de ce radioisotope est obtenu par l’intersection de la ligne de réponse, construite à partir de la détection des deux photons de 511 keV issus de l’annihilation d’un positron, et du cône déterminé à partir du troisième photon. Un prototype de petite dimension XEMIS1 (XEnon Medical Imaging System) a été développé afin de faire la preuve expérimentale de la faisabilité de l’imagerie à 3γ. Les résultats de ce prototype sont très promoteurs en terme de résolution en énergie, de pureté du xénon liquide et de faible bruit électronique. La simulation Monte Carlo est un outil indispensable pour accompagner la R&D et évaluer les performances de la nouvelle technique d’imagerie proposée. Les travaux rapportés dans cette thèse concernent le développement de la simulation du système d’imagerie 3γ avec GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission). De nouvelles fonctionnalités ont été implémentées dans GATE afin de simuler un détecteur de type TPC (Time Projection Chamber). Nous avons effectué une simulation du prototype XEMIS1 et obtenu des résultats en bon accord avec nos données expérimentales. La prochaine étape du projet consiste à construire une caméra cylindrique au xénon liquide pour l’imagerie du petit animal. Les résultats des simulations de cette caméra présentés dans cette thèse montrent la possibilité de localiser chaque désintégration le long de la ligne de réponse avec une très bonne précision et une bonne sensibilité de détection. Des premières images de fantômes simples, réalisées évènements par événements, et après reconstruction tomographiques ont également présentées.

Nuclear medical 3γ imaging is an innovative technique which is studied at the SUBATECH laboratory. It isbased on the three-dimensional localization of a (β+, γ) radioisotope emitter, the 44Sc, by using a liquid xenon Compton telescope. The position of the disintegration of this radioisotope is obtained by the intersection of the line of response, built by the detection of two 511 keVphotons from the annihilation of a positron, and the cone determined by the third photon. A small prototype XEMIS1 (XEnon Medical Imaging System) was developed to demonstrate experimentally the feasibility of 3γ imaging. The results of this prototype are quite encouraging in terms of energy resolution, purity of liquid xenon and electronic noise. The Monte Carlo simulation is an indispensable tool to support the R&D and to evaluate the new proposed technique of imaging ; this thesis work is to develop the simulation of 3γ imaging system by using GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission). New functionalities have been added to GATE to simulate a TPC (Time Projection Chamber) detector. We performed a simulation of XEMIS1 prototype and obtained results in good agreement with our experimental data. The next step of the project is to build a full liquid xenon cylindrical camera for the small animal imaging. The results presented in this thesis of the simulations of this camera demonstrate the ability to locate every decayalong the line of response with very good accuracy and good detection sensitivity. The first direct images of simple phantoms, realized event by event, and after tomographic reconstruction are also presented.