Étude et construction d'un tomographe TEP/TDM pour petits animaux, combinant modules

194 Pages·2017·26.6 MB·French

by  Stan Nicol

Étude et construction d’un tomographe TEP/TDM
pour petits animaux, combinant modules phoswich à
scintillateurs et détecteur à pixels hybrides
Stan Nicol
To cite this version:
Stan Nicol. Étude et construction d’un tomographe TEP/TDM pour petits animaux, combinant
modules phoswich à scintillateurs et détecteur à pixels hybrides. domain_other. Université de la
Méditerranée - Aix-Marseille II, 2010. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00528701￿
HAL Id: tel-00528701
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Submitted on 22 Oct 2010
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CPPM-T-2010-02
UNIVERSITÉ DE LA MÉDITERRANÉE, AIX-MARSEILLE II
FACULTÉ DES SCIENCES DE LUMINY
163, avenue de Luminy
13288 Marseille Cedex 09
THÈSE DE DOCTORAT
Spécialité : Instrumentation
présentée par
Stan NICOL
en vue d’obtenir le grade de docteur de l’Université de la Méditerranée
Étude et construction d’un tomographe TEP/TDM
pour petits animaux, combinant modules phoswich à scintillateurs
et détecteur à pixels hybrides
Soutenue le 20 juillet 2010, devant le jury composé de :
M. David BRASSE Rapporteur
M. Franck DEBARBIEUX Examinateur
M. Sebastien JAN Examinateur
M. Eric KAJFASZ Examinateur
Mlle Sonia KARKAR Co-encadrante
M. Christian MOREL Directeur de thèse
M. Uwe PIETRZYK Rapporteur
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La théorie,
c’est quand on sait tout et que rien ne fonctionne.
La pratique,
c’est quand tout fonctionne et que personne ne sait pourquoi.
Ici, sont réunies théorie et pratique :
rien ne fonctionne ... et personne ne sait pourquoi!
Albert Einstein
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Résumé
Titre :
Etude et construction d’un tomographe TEP/TDM pour petits animaux, combinant modules
phoswich à scintillateurs et détecteur à pixels hybrides.
Résumé :
L’approche qui a été développée dans l’équipe imXgam du CPPM est de combiner sur un
unique support rotatif les modules de détection de la caméra pour petit animal ClearPET
avec un détecteur de rayons X à comptage de photons dans le but d’acquérir simultanément
des images anatomiques (TDM) et fonctionnelles (TEP) du même champ de vue. L’étude pré-
liminaire du système hybride ClearPET/XPAD3 menée en simulation avec Gate a permis
d’implémenter une nouvelle géométrie de détection TEP à 21 détecteurs phoswich, de fixer les
grandes lignes de l’assemblage TEP/TDM, ainsi que d’étudier et de solutionner les difficultés
liées au régime de fonctionnement bimodal. Pour finir, l’outil de simulation a également permis
d’imaginer comment un tel système pourrait judicieusement exploiter la corrélation spatiale et
temporelle des informations anatomo-fonctionnelles.
Du point de vue de l’instrumentation, ce projet a vu la mise en oeuvre du système hybride
simultané ClearPET/XPAD3. Une fois les deux systèmes TEP et TDM opérationnels indivi-
duellement, il a été démontré, d’une part que le ClearPET est parfaitement capable d’opérer
en régime de fonctionnement simultané moyennant un blindage approprié de ses modules de
détection, et d’autre part que la nouvelle génération de caméra à pixels hybrides XPAD3-S/Si
s’avère très prometteuse compte tenu de la bonne qualité des premières images reconstruites.
Finalement, la preuve de concept d’une acquisition TEP/TDM simultanée avec une source de
positons scellée et un tube à rayons X a pu être concrètement démontrée.
Mots-clés :
Imagerie hybride, TEP, TDM, ClearPET, XPAD3, détecteur à pixels hybrides, Monte Carlo,
Gate.
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Abstract
Title :
Design and construction of a small animal PET/CT scanner combining scintillation phoswich
modules and hybrid pixels detectors.
Abstract :
The pathway that has been followed by the imXgam team at CPPM was to combine on a
single rotating device the detector modules of the small animal PET scanner ClearPET with
a photon counting X-ray detector in order to perform simultaneous acquisition of images from
the anatomy (X-ray CT) and from the metabolic function (PET) of the common field-of-view.
A preliminary study of the hybrid imaging system ClearPET/XPAD3 carried out using Gate
led us to form a new PET detection assembly based on 21 phoswich modules, to fix the design
of the PET/CT device, as well as to study and solve the difficulties arising from simultaneous
hybrid imaging. Last but not least, the simulation tool also allowed us for thinking how well
such a system could judiciously use the spatial and temporal correlations between anatomic
and functional information.
From an instrumentation point of view, we succeeded to set up the ClearPET/XPAD3 proto-
type. Once both imaging systems were operational individually, we demonstrated on one side
that the ClearPET prototype was perfectly capable of performing correctly in simultaneous
acquisition conditions, providing that the detector modules were appropriately shielded. On
the other side, the new generation of the hybrid pixel camera using the XPAD3-S chip proved
to be quite promising given the good quality of the first reconstructed images.
Finally, the proof of concept of simultaneous PET/CT data acquisition was made using a sealed
positron source and an X-ray tube.
Keywords :
Hybrid imaging, PET, CT, ClearPET, XPAD3, hybrid pixel detector, Monte Carlo, Gate.
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Remerciements
En premier lieu, je tiens à exprimer toute ma reconnaissance à Monsieur Eric Kajfasz, di-
recteur du CPPM, pour m’avoir accueilli au sein du laboratoire. J’en profite pour le remercier
du temps qu’il a su m’accorder ainsi que du soutien qu’il a pu m’apporter lorsque cela a été
nécessaire.
JesuistrèsreconnaissantenversMessieursUwePietrzyketDavidBrassepouravoirconcenti
à évaluer mon mémoire en tant que rapporteurs. Je remercie également Messieurs Sébastien
Jan et Franck Debarbieux d’avoir accepté d’en être les examinateurs et Monsieur Eric Kajfasz
d’avoir présidé ce jury. Merci pour les nombreuses réflexions scientifiques et le regard critique
qu’ils ont respectivement porté sur mon travail.
JetiensàremerciertoutparticulièrementMonsieurChristianMorel,mondirecteurdethèse,
sans qui ce projet novateur et passionnant n’aurait pu voir le jour. Qu’il trouve ici l’expression
de mes sincères remerciements et ma profonde reconnaissance pour son encadrement conscien-
cieux, la grande autonomie qu’il a su m’accorder ainsi que sa présence et son soutien constant
tout au long de ces quatre années. Merci pour la confiance dont tu as fait preuve à mon égard.
Merci pour tes enseignements, tes conseils avisés et les nombreuses discussions que nous avons
pu échanger au sujet de ce projet.
Je remercie également Mademoiselle Sonia Karkar, dans son rôle de co-encadrante, sans
qui cette thèse ne serait pas ce qu’elle est. Tes remarquables compétences techniques et scienti-
fiques, ton implication, ta disponibilité (pas avant 10h, faut pas déconner non plus ...), ta bonne
humeur et ta redoutable efficacité sont autant de qualités qui ont contribué à la réussite de ce
projet. Je t’aurais bien quelque peu «chicané» sur tes indéniables talents dactylographiques et
ta manière très ... euh, originale de dessiner (j’en ai encore mal aux yeux), mais ce ne serait pas
fair-play et puis comme on dit, personne n’est parfait! Ceci dit, sache que j’ai profondément
apprécié bosser avec toi, autant dans les moments de réussite que de galère. Et puis qui d’autre
aurait pu m’initier au hockey subaquatique?
Ces remerciements ne seraient pas complets sans l’expression de toute ma sympathie à l’en-
sembledemescollèguesdetravail.J’aimeraisexprimermagratitudeàtoutelateamimXgam,et
plus généralement aux équipes des différents services de mécanique (bureau d’étude et atelier),
d’électronique et d’informatique pour le remarquable travail qu’elles ont accompli. La réussite
de ce projet hautement pluridisciplinaire a nécessité la contribution de chacun. Aussi, un grand
merci à vous tous. Qu’il me soit permis de remercier également le personnel des services géné-
raux et du service administratif du labo. Une pensée pour Maryam et Benoit, une autre pour les
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