Détecteur pour l'imagerie TEP, temps de vol et haute résolution spatiale

Detector for time-of-flight PET imaging with high spatial resolution

• Auteur / Autrice : Megane Follin
• Direction : Dominique Yvon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Imagerie et physique médicale
• Date : Soutenance le 02/07/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de physique des particules (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Achille Stocchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etiennette Auffray Hillemanns, Denis Dauvergne, Jean-Pierre Cussonneau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Etiennette Auffray Hillemanns, Denis Dauvergne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tungstate de plomb

Galettes de microcanaux

Photomultiplicateurs

Scintillateurs

Čerenkov, Détecteurs de

Tomographie par émission

Mots clés libres

MCP-PMT

Tungstate de plomb

Scintillateur

Radiateur Cherenkov

TEP

MCP-PMT

Lead tungstate

Scintillator

Cherenkov detector

PET

Résumé

La Tomographie par Emission de Positrons (TEP) est une technique d’imagerie 3D utilisée lors des diagnostics de cancer et de recherche neurobiologiques. Elle utilise la détection en coïncidence de deux photons de 511 keV produits par l’annihilation de positrons émis par un traceur biochimique consommé par les tissus. Elle permet ainsi de mesurer l’activité biologique des organes. Positionner précisément l’interaction des photons de 511 keV dans le volume du détecteur permet la reconstruction d’images résolues et contrastées. Dans cette thèse, nous développons un détecteur composé d’un cristal scintillant et radiateur Cherenkov, le tungstate de plomb (PbWO₄) inséré dans la structure d’un photomultiplicateur à galettes de micro-canaux. Le dépôt direct de la couche photoélectrique sur le cristal permet d’améliorer la collection de lumière et la résolution en temps. C’est le projet ClearMind, breveté. Nous avons travaillé sur deux des composants principaux de ce détecteur. Nous avons mesuré précisément les propriétés des cristaux scintillants : rendement lumineux et constantes de temps: 1.8 ns (55%) et 6 ns (40%) à température ambiante. Nous avons ensuite mis au point une chaîne de photo-détection pour mesurer les performances du futur détecteur ClearMind. Nous mesurons une excellente résolution temporelle (inférieure à 70 ps FWHM) et spatiale (1.5 mm FWHM), mais une perte d’efficacité sur certaines technologies de MCP. Nous proposons des axes de développement pour améliorer ces performances.

Positron Emission Tomography (PET) is a 3D imaging technique used in cancer diagnosis and neuro-biological research. It uses the coincident detection of two 511 keV photons produced by the annihilation of positrons emitted by a biochemical tracer consumed by tissues. It thus makes it possible to measure the biological activity of organs. Precisely positioning the interaction of the 511 keV photons in the volume of the detector allows the reconstruction of resolved and contrasted images. In this thesis, we develop a detector composed of a scintillating crystal and Cherenkov radiator, the lead tungstate (PbWO₄) inserted in the structure of a Micro-Channel Plate PhotoMultiplier Tube (MCP-PMT). The direct deposition of the photoelectric layer on the crystal improves light collection and time resolution. This is the patented ClearMind project. We have worked on two of the main components of this detector. We have measured the properties of the scintillating crystals: light yield and time constants: 1.8 ns (55%) and 6 ns (40%) at room temperature. We then developed a photo-detection chain to measure the performances of the future ClearMind detector. We measure an excellent time resolution (less than 70 ps FWHM) and spatial resolution (1.5 mm FWHM), but a loss of efficiency on some MCP technologies. We propose development axes to improve these performances.