Détecter les rayons gamma et reconstituer leur ligne de vol

Gamma-caméra à collimateurs parallèles
Principe de détection des gamma à l’aide d’un collimateur à canaux parallèles. Seuls les gamma se propageant le long de l’axe du canal atteignent le scintillateur, où ils déposent leur énergie, générant un bref flash de lumière. La scintillation est détectée par un réseau de photomultiplicateurs regardant à l’arrière du scintillateur. Le photomultiplicateur convertit l’impulsion lumineuse en un signal électronique qui est amplifié par l’électronique de la caméra. A partir des signaux reçus par les photomultiplicateurs, la position approximative de l’impact et l’énergie gamma sont évaluées. L’encart montre une gamma caméra pointée sur la poitrine d’un patient, probablement pour un scanner cardiaque.
D.Steyaert/IN2P3

L’émission d’un seul rayon gamma est un phénomène nucléaire à très petite échelle. C’est le rôle de la tête de la gamma-caméra d’amplifier ce rayonnement microscopique en un signal électrique qui peut être détecté et mesuré. En exploitant un grand nombre de lectures de ces signaux électriques, on peut déterminer la carte des noyaux radioactifs responsables de l’émission des rayons gamma.
La tête de détection de la gamma-caméra est constituée de :
– d’un collimateur
– d’un cristal scintillant
– d’un réseau de tubes photomultiplicateurs
– d’un système électronique de détection et de mesure des énergies et des impacts gamma

Gamma-caméra équipée d’un collimateur à sténopé
Pour les scanners thyroïdiens sont utilisés des gamma équipés d’un collimateur à sténopé, dit  » sténopéique « . Pour une petite glande comme la thyroïde, ce type de collimation est approprié. L’extrémité de la caméra est dirigée vers le cou du patient. Seuls les gamma passant par le sténopé, donc provenant de la zone thyroïdienne, seront enregistrés.
D.Steyaert/IN2P3

Le collimateur est une épaisse plaque de plomb ou de tungstène criblée d’un grand nombre de canaux parallèles très fins. Les rayons gamma qui peuvent le traverser sont ceux dont la direction est perpendiculaire à la surface de la plaque de plomb et du cristal scintillant. Les axes des canaux sont orientés vers la partie du corps examinée, et le plomb ou le tungstène arrête tous les photons gamma qui se déplacent selon un angle oblique. D’autres collimateurs peuvent être conçus à l’aide de différentes techniques : un collimateur en forme de trou d’épingle est utilisé pour les scintigraphies de la thyroïde, tandis que les collimateurs en forme d’éventail sont utilisés pour l’imagerie du cerveau.
L’élément de détection au cœur d’une gamma-caméra est un grand cristal rectangulaire d’iodure de sodium dopé au thallium : NaI (Tl). Le cristal a la capacité d’arrêter les rayons gamma entrants et de convertir une partie de l’énergie déposée en scintillations.
A l’arrière du cristal, un réseau de petits photomultiplicateurs convertit les photons de lumière en signaux électriques. A partir des occurrences dans un ensemble de photomultiplicateurs, on peut déterminer l’énergie des rayons gamma entrants ainsi que la position approximative de leurs impacts sur le cristal. Les rayons gamma dont l’énergie ne se situe pas dans une certaine fourchette de l’énergie de l’échantillon radioactif (une fenêtre spectroscopique) sont écartés, et ne contribuent pas à l’image finale.
La gamma-caméra est positionnée de manière à s’assurer qu’elle sélectionne les photons gamma émis par l’organe diagnostiqué.

Un gamma-caméra à base de srmi-conducteurs
Les performances des gamma-caméras de scintigraphie et de TEP devraient bénéficier des avancées majeures réalisées récemment dans les techniques de détection. Par exemple, une équipe de physiciens du CEA a proposé en 2015 un imageur gamma à base de semi-conducteur CdZnTe (Cadmium-Zinc-Telluride), beaucoup plus précis dans la mesure d’une énergie et d’une position gamma.
Clés CEA N°200

La qualité des images dépend de la précision de la reconstruction. La détection conventionnelle par scintillateurs associés à des photomultiplicateurs sera progressivement remplacée par des systèmes de détection plus précis… Par exemple, la précision de la position des impacts gamma peut passer de 3 mm à 0,3 mm avec des imageurs à base de semi-conducteurs.
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