VERS LES GAMMA-CAMÉRAS À SEMI-CONDUCTEURS - O.PEYRET, C.MESTAIS, L.VERGER

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Vers les gamma caméras à semi-conducteurs

                           VERS LES GAMMA-CAMÉRAS
                             À SEMI-CONDUCTEURS
                            O.PEYRET, C.MESTAIS, L.VERGER
              LETI (CEA - Technologies Avancées) - Département Systèmes - CEA/G
                                         - Grenoble -

1. Introduction :                                                l’électronique associée. En améliorant la résolution en éner-
les limites de la caméra d’Anger                                 gie d’un facteur 2 au cours des années, on a limité la con-
                                                                 tribution du diffusé dans l’image, mais aujourd’hui on at-
Avec l’utilisation principale du 99mTc, la caméra d’Anger        teint pratiquement la limite physique, soit 9 à 10 % à 140
s’impose depuis près de 40 ans comme la solution stan-           keV. En ce qui concerne la résolution spatiale intrinsèque
dard pour la tête de détection d’une gamma-caméra pour la        de la caméra, il est coûteux et peu efficace de chercher à
médecine nucléaire. Le principe est basé sur l’utilisation       l’améliorer, car la résolution du système est essentielle-
d’un cristal scintillateur monobloc en NaI(Tl), couplé à un      ment limitée par la résolution du collimateur, c’est-à-dire
ensemble de photomultiplicateurs (PM) . La somme des             par le principe même d’acquisition de l’image, soit 8 à 9 mm
signaux des PM fournit l’énergie du gamma, sa position           à une distance de 10 cm.
est donnée par le calcul du barycentre des réponses des
PM (Figure 1).                                                   Des applications spécifiques ont amené certains construc-
                                                                 teurs à proposer des variantes de la solution d’Anger dé-
                                                                 plaçant des compromis classiques, en particulier en pro-
                                                                 posant des solutions multi-cristaux ou multi-détecteurs.
                                          - PM                   C’est le cas de produits dédiés pour l’imagerie cardiaque
                                                                 ou pour la mesure du débit sanguin cérébral (2). Mais de-
                                          - guide de lumière
                                                                 puis 4 à 5 ans, plusieurs constructeurs orientent leurs ef-
                                          - cristal              forts sur le développement d’une nouvelle génération de
                                          - collimateur          gamma-caméras, basée sur l’utilisation de détecteurs semi-
                                                                 conducteurs (3).

                                                                 2. Un nouveau matériau détecteur
                       - FIGURE 1 -                              Deux modes de détection permettent de convertir le rayon-
          Schéma de principe de la caméra d’Anger                nement gamma en un signal électrique (Figure 2) :
                                                                 - un mode indirect, utilisant le principe de la scintillation
L’évolution technologique a permis une progression sen-            du milieu détecteur. La conversion se fait en deux éta-
sible des performances : résolution en énergie, résolution         pes : gamma-lumière puis lumière-charges. C’est le cas
spatiale, capacité de comptage. Cependant, on peut consi-          de l’ensemble scintillateur-PM,
dérer qu’aujourd’hui, la solution d’Anger est arrivée à ses      - un mode direct, utilisant le principe de l’ionisation du
performances limites. En effet, la structure d’une gamma-          milieu détecteur. Le rayonnement crée directement des
caméra, commune chez tous les constructeurs, trouve un             charges électriques : paires électron-ion dans un gaz,
compromis optimal entre sensibilité, résolution en énergie,        paires electron-trou dans un semi-conducteur, qui sont
résolution spatiale et capacité de comptage (1). Si quel-          collectées par un champ électrique établi dans le détec-
ques progrès ont été encore réalisés ces dernières années          teur.
sur la capacité de comptage (500 kcoups/s) pour permettre
les mesures pour corrections d’atténuation et l’utilisation      La conversion directe dans un semi-conducteur présente
en coïncidence avec émetteur positons, il est évident que        deux avantages :
la caméra ne traitant qu’un gamma à la fois, on peut diffici-    - les charges collectées au droit de l’interaction sont ca-
lement envisager de dépasser le million de coups par se-           nalisées par le champ électrique. On peut ainsi avoir un
conde sans risque élevé d’empilements. La limitation est           détecteur épais pour obtenir un fort pouvoir d’arrêt sans
donnée par la rapidité du cristal et par la complexité de

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  compromis sur la résolution spatiale, ce qui n’est pas le         paires étant de 3 à 5 eV, on peut récupérer environ 20 fois
  cas d’un scintillateur dans lequel la lumière diffuse et          plus de charges. La résolution théorique limite est alors
  dont l’épaisseur doit être choisie en fonction de la réso-        proche de 1 % !
  lution spatiale souhaitée,
- mais surtout, le nombre de charges créées par l’interac-        Dès les années 1970, l’idée de réaliser des images de scin-
  tion est bien supérieur dans un semi-conducteur, ce qui         tigraphie au moyen d’un détecteur semi-conducteur est
  permet d’améliorer la résolution en énergie. En effet, la       envisagée. Il existe en particulier quelques tentatives d’uti-
  résolution en énergie dépend en premier lieu du nombre          lisation du germanium Ge HP (Haute Pureté) démontrant le
  d’événements secondaires créés puis finalement du nom-          gain apporté en contraste des images grâce à la meilleure
  bre de charges collectées suite à l’interaction primaire.       résolution en énergie (1,5 à 2 %) de la caméra (4), (5). Mais
  Pour la caméra d’Anger, elle est limitée par le rendement       la nécessité de refroidir à 77 K et la non-disponibilité du
  lumineux du NaI(Tl), les pertes de lumière et par l’effica-     matériau à des coûts compatibles avec l’application, ren-
  cité quantique du PM. Au final, on ne peut récupérer            dent ce candidat semi-conducteur peu "crédible" malgré
  qu’au plus 1500 électrons par photon de 140 keV. Dans           ses performances en résolution en énergie.
  le cas d’un semi-conducteur, l’énergie de création de

                           UN NOUVEAU MILIEU DETECTEUR
                     Détection indirecte                                   Détection directe

                                                                                                     -
                     lumière              Na I(Tl)                                   + -

                     charges Photomultiplicateur                           charges      semi-conducteur
                                                                                                    +

                                             1500 charges                                           30 000 charges
                                               à 140 keV                                               à 140 keV

                                                         - FIGURE 2 -
                                         Principes de détection du rayonnement gamma

Parmi les quelques détecteurs semi-conducteurs fonction-          seur raisonnable, typiquement 90 % à 140 keV pour 6 mm.
nant à température ambiante, l’intérêt porté au CdTe (Tellu-      Sa haute résistivité, d’au moins 109 W .cm, permet de fonc-
rure de Cadmium) ou au CdZnTe est croissant depuis en-            tionner à température ambiante dans de bonnes condi-
viron 5 ans, tant sur le plan scientifique qu’industriel. Connu   tions. Sa faible largeur de bande interdite (1,5 eV) et ses
depuis longtemps pour ses propriétés spectromé-triques,           propriétés de transport des charges, en particulier mobilité
il présente effectivement des caractéristiques intéressan-        et durée de vie des électrons, permettent d’atteindre une
tes pour la détection gamma . Matériau de numéro atomi-           résolution en énergie meilleure que 5 % à 140 keV ce qui
que élevé (Cd=48, Te=52) et de densité élevée (d=6), il           améliore d’un facteur 2 cette performance par rapport au
permet d’assurer un bon pouvoir d’arrêt avec une épais-           standard actuel de la caméra d’Anger (Figure 3).

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Vers les gamma caméras à semi-conducteurs

                                                                 longtemps (10). Mais si on peut l’envisager aujourd’hui
                                                                 avec réalisme, c’est grâce à l’évolution récente des tech-
                                                                 nologies, et outre les progrès du matériau, ceux de l’élec-
                                                                 tronique (intégration) et des technologies associées (con-
                                                                 nectique, technologies des hybrides, ...).

                                                                 La gamma-caméra à semi-conducteurs est en fait une nou-
                                                                 velle structure de détection qui a peu de choses en com-
                                                                 mun avec la solution d’Anger. Dans les différents projets,
                                                                 on envisage une structure de caméra à pixels, c’est à dire
                                                                 formée d’une matrice de détecteurs indépendants, chaque
                                                                 détecteur représentant un point de l’image (Figure 4).

                           - FIGURE 3 -
                       57
     Spectre typique    Co obtenu avec un détecteur CdZnTe
                       d’origine eV-Products

Plusieurs méthodes de tirage permettent d’obtenir du CdTe
ou du CdZnTe. Pour obtenir la haute résistivité, le maté-
riau est traditionnellement compensé au chlore. Au début
des années 1990, une nouvelle technique de croissance
sans compensation au chlore, est apparue qui a contribué
fortement à l’essor récent du matériau (6). Dite croissance
sous haute pression (environ 100 bars), elle permet de fa-
briquer de gros lingots (au moins de diamètre 100 mm)
d’un matériau de qualité spectrométrique qui présente des                               - FIGURE 4 -
                                                                       Schéma de principe d’une gamma-caméra à pixels
propriétés intéressantes : sa résistivité est environ dix fois
supérieure soit quelques 1010 W .cm (diminution du bruit du
                                                                 Chaque détecteur est relié à une voie d’électronique qui
détecteur) et il ne présente pas de phénomène de polarisa-
                                                                 traite le signal issu de l’interaction d’un photon gamma et
tion (phénomène de polarisation = sous polarisation, ef-
                                                                 peut en mesurer son énergie. Les progrès de l’intégration
fondrement du champ électrique dans le détecteur). Les
                                                                 électronique permettent effectivement d’envisager l’inté-
premiers spectres avec ce matériau ont été obtenus en 1991
                                                                 gration d’une chaîne de spectrométrie gamma au niveau
aux Etats-Unis par la société AURORA (7). Depuis, plu-
                                                                 de chaque pixel. Concrètement, la caméra est formée d’un
sieurs fabricants se sont lancés dans cette méthode de
                                                                 assemblage de plates-formes, chaque plate-forme étant
croissance : la société eV-Products aux Etats-Unis,
                                                                 équipée d’une petite matrice de détecteurs (de 4x4 à 16x16)
EURORAD en France et Saint-GOBAIN avec l’aide du LETI.
                                                                 et d’un ou plusieurs circuits intégrés (ou ASIC=Application
Parallèlement, la nouvelle société IMARAD en Israël pro-
                                                                 Specific Integrated Circuit) comprenant l’électronique de
pose depuis cette année un nouveau matériau CdZnTe,
                                                                 proximité. A noter que la matrice de détecteurs peut être
compensé à l’Indium, qui présente des caractéristiques
                                                                 réalisée par l’association de petits cubes élémentaires de
originales (8).
                                                                 CdTe ou par la réalisation d’une matrice d’électrodes sur
                                                                 un échantillon monolithique de plus grand format.

                                                                 Les performances demandées à l’électronique intégrée
3. Une nouvelle structure de caméra                              sont très exigeantes, en particulier en niveau de bruit et
                                                                 des efforts importants sont développés pour les atteindre.
En médecine nucléaire, la société EURORAD par exemple,           Dans ce secteur, le domaine spatial a pris les devants et
commercialise déjà depuis plusieurs années des sondes            conduit des développements qui profiteront au domaine
miniatures en CdTe pour remplacer les sondes NaI encom-          médical. En effet, le programme INTEGRAL (INTErnational
brantes utilisées principalement dans deux applications :        Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) de l’Agence Spa-
la localisation per-opératoire des petites masses et le suivi    tiale Européenne a pour objectif le lancement en 2001 d’un
en continu de fonctions physiologiques. Sur ce principe,         satellite d’observation gamma. Le CEA (dont le LETI) avec
une petite caméra per-opératoire (25 pixels) est en évalua-      la société SAGEM développe le plan de détection à base
tion (9). L’idée de réaliser une gamma-caméra grand champ        de CdTe de l’imageur pour la bande d’énergie 20 keV-1MeV.
à base de CdTe est en fait présente dans les esprits depuis

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O. PEYRET, C. MESTAIS, L. VERGER

Le plan imageur de 60x60 cm2 comprend 1024 plates-for-
mes, comprenant chacune 16 détecteurs CdTe associés
chacun à une voie de spectrométrie regroupée par 4 dans
un ASIC. A ce jour, l’ASIC a été développé et des prototy-
pes de plates-formes ont déjà démontré les potentialités
de la technologie (11).

Une telle structure présente des avantages certains par
rapport à la solution d’Anger . Elle permet de réaliser une
caméra beaucoup plus compacte associée à une forte ré-
duction du poids (diminution du blindage) pouvant ouvrir
la voie à de nouvelles conditions d’utilisation. Certains
constructeurs montrent effectivement un statif mobile très
allégé, permettant par exemple de se déplacer au lit du ma-
lade et pouvant être aisément transporté. Sa capacité de
comptage est potentiellement très élevée car il y a autant                                    - FIGURE 5 -
de voies indépendantes que de pixels. On peut traiter des               Spectre 57Co obtenu avec un détecteur CdZnTe montrant
gammas simultanés qui arrivent dans deux pixels différents.             la perte de charges (fenêtre en énergie visualisée + 5 %)
La zone morte autour de la caméra, inhérente au principe
d’Anger, est fortement réduite (limitée à l’enveloppe de la         Pour remédier à cette difficulté, il existe plusieurs appro-
caméra) permettant une meilleure accessibilité des orga-            ches concurrentes qui font l’objet d’une intense activité
nes. Enfin la résolution spatiale intrinsèque est unique-           dans le domaine, car il est fort probable que ce paramètre
ment liée au pas des pixels.                                        sera un critère important de différentiation des produits
                                                                    dans le futur. Trois types d’études (matériau, nature et
                                                                    géométrie des électrodes, traitement du signal) permettant
                                                                    d’améliorer les performances ou de compenser les défauts
4. Un challenge technique :
                                                                    des détecteurs sont en instruction :
l’efficacité de détection
                                                                    - Etudes sur le matériau CdZnTe :
Le gain en résolution en énergie apporté par le CdTe ne               Concernant le matériau haute pression, les sociétés
doit cependant pas se faire au détriment de l’efficacité de           Digirad, eV-Products, Eurorad et Saint-GOBAIN cher-
détection. L’efficacité de détection est une performance              chent à améliorer ses performances par l’augmentation
essentielle d’une gamma-caméra pour le domaine médical.               de la durée de vie des trous. Outre le matériau haute
C’est le rapport entre le nombre de photons détectés dans             pression, deux études principales sur l’obtention de ma-
la fenêtre en énergie et le nombre de photons incidents sur           tériaux CdZnTe de qualité spectrométrique sont en cours :
le détecteur. Elle a un impact direct sur le temps d’examen           La société IMARAD propose un nouveau matériau
et sur l’activité nécessaire à injecter, c’est-à-dire sur la dose     CdZnTe compensé à l’indium qui permettrait d’obtenir
patient. La caméra d’Anger utilisant un cristal de NaI épais          des détecteurs pour lesquels la mauvaise collection des
(3/8 pouce) permet d’atteindre une efficacité de détection            trous serait compensée par l’injection d’électrons via
supérieure à 80% dans une fenêtre d’énergie + 10 %. Il                des contacts spécifiques (8).
n’est pas admissible que cette performance soit fortement             L’université de Fisk associée à la société Johnson
dégradée avec l’arrivée d’une nouvelle technologie. Ainsi,            Matthey propose dernièrement une alternative intéres-
le challenge est d’atteindre une efficacité de détection du           sante avec une autre méthode d’élaboration du matériau
même ordre dans la fenêtre en énergie plus étroite que                CdZnTe (12),(13). La plus grande pureté du matériau
permet le CdTe.                                                       obtenue limiterait ainsi le piégeage des trous.

Comme nous l’avons vu, le CdTe ou le CdZnTe possède                 - Etudes sur la nature et la géométrie des électrodes :
un très fort pouvoir d’arrêt aux rayons gamma d’énergie               Les détecteurs CdZnTe ont des électrodes à base d’or,
standard de la médecine nucléaire, mais comme on peut le              permettant d’appliquer des champs électriques limités à
voir sur un spectre classique (Figure 5), la collection des           2kV/cm pour ne pas augmenter le bruit de leur courant à
charges est imparfaite conduisant à sous-estimer la me-               l’obscurité.
sure en énergie de certains gammas. Sortant de la fenêtre             L’étude de la nature des électrodes déposées sur CdZnTe
en énergie, ils réduisent d’autant l’efficacité de détection.         consiste à proposer d’autres structures Métal-Semicon-
Cette perte est due à la durée de vie limitée des charges, en         ducteur permettant d’appliquer de plus forts champs élec-
particulier des trous dans le matériau, qui se piègent au             triques (15 à 20 kV/cm), ce qui contribue à limiter égale-
cours de leur transit vers les électrodes.                            ment le piégeage des trous (14), (15).

                                                                132                            Revue de l'ACOMEN, 1999, vol.5, n°2
Vers les gamma caméras à semi-conducteurs

  Une autre alternative consiste à utiliser des géométries             sion présente l’intérêt de posséder d’excellentes pro-
  d’électrodes telles que le signal généré ne dépende pas              priétés de transport des électrons. Le LETI a mis en évi-
  ou peu du lieu d’interaction dans le détecteur. La société           dence l’existence d’une corrélation entre l’amplitude et
  Digirad propose une structure dite SpectrumPlusTM dont               le temps de montée du signal strictement lié au transit
  la face collectante est constituée de deux électrodes con-           des électrons (19),(20). Cette corrélation obtenue sur le
  centriques : l’électrode de plus fort diamètre permet de             seul signal "électrons" est quasi-linéaire et le sera d’au-
  canaliser et "écranter" les électrons durant leur migra-             tant plus que les trous sont piégés. L’acquisition et la
  tion dans le détecteur et l’électrode centrale de petit dia-         mise en équation de cette corrélation permet alors d’ap-
  mètre, de les collecter seulement lorsqu’ils en sont pro-            pliquer différentes fonctions mathématiques afin de cor-
  ches (16),(17). D’autres solutions apparentées sont pro-             riger le manque du signal associé aux trous (Figure 6).
  posées par les universités de Michigan (18) et de Berke-             Ce traitement électronique très simple permet une récu-
  ley.                                                                 pération de plus de 85 % des gammas à 122 keV, en con-
                                                                       servant la performance spectrométrique du détecteur
- Etudes du traitement du signal :                                     (typ. 5 %). L’acquisition de deux paramètres (amplitude
  L’idée consiste à utiliser la structure classique du détec-          et temps de montée) pour chaque photon absorbé per-
  teur afin de limiter les difficultés associées à la technolo-        met d’identifier la nature de chaque photon détecté (pho-
  gie de fabrication des électrodes et de compenser la                 ton direct, diffusé, d’échappement) et ainsi mieux rejeter
  mauvaise collection des trous par le traitement du signal            les photons inutiles : la qualité de l’image s’en trouvera
  généré à l’électrode collectante. Le matériau haute pres-            améliorée.

                                                                                   Spectre Biparamétrique

               Vue en 3D d’un spectre biparamétrique

                   nbre de              122 keV
                                                            V
                                                         ke

                   coups
                          échappement W                                                  Spectre corrigé
                                                        6
                                                      13
                                                            ps
                                                         m
                                                       Te

                       Am p
                              litude

                            échantillon de CdZnTe

                                                           - FIGURE 6 -
                           Principe de la correction par mesure du temps de montée du signal "électrons"

Revue de l'ACOMEN, 1999, vol.5, n°2                              133
O. PEYRET, C. MESTAIS, L. VERGER

5. Les projets en cours dans le monde                             durée d’acquisition et fenêtre en énergie comparables, en
                                                                  particulier sur des scintimammographies .
Encore située dans les laboratoires, l’activité de dévelop-
pement d’une tête de détection à base de CdTe/CdZnTe            La société SIEMENS a un projet en cours aux Etats-Unis. Il
pour la médecine nucléaire fait l’objet de plusieurs projets    existe par ailleurs un projet européen BIOMED II, avec la
de la part des constructeurs. Sont connus publiquement          participation de la société SIEMENS, qui associe la so-
les projets de DIGIRAD, ELGEMS, SIEMENS, Saint-                 ciété française EURORAD, le laboratoire PHASE (P. Siffert)
GOBAIN, et plus récemment IMARAD. Il existe très pro-           pour la partie détecteur, le Rutherford Appleton Laboratory
bablement d’autres projets, en particulier au Japon.            pour la partie électronique, l’Institut de Physique Biologi-
                                                                que de Strasbourg et le Cardiology State Hospital en Hon-
Il faut de plus noter les travaux conduits depuis plusieurs     grie. Le projet est orienté sur les applications cardiaques.
années par H.B. Barber à l’Université d’Arizona en lien         Un module de 16 x 16 détecteurs (5 x 5 cm2) avec des pixels
avec la société HUGHES pour le développement d’un dé-           de 3 x 3 mm2 a été monté permettant de réaliser les premiè-
tecteur à base de matrices de CdZnTe haute résolution           res images [25]. Une tête de 2304 détecteurs (15 x 15 cm2)
(125 µm) associées à des collimateurs multi-trous pour l’ima-   est en cours de montage. Des évaluations cliniques de-
gerie du cerveau (21).                                          vraient démarrer début 1999.

En dehors des premières réalisations déjà anciennes de          La nouvelle société IMARAD (IMARAD Imaging Sys-
maquettes de détecteurs de quelques pixels (10), on peut        tems) en Israël commercialise depuis cette année des com-
considérer que SOREQ (Y. Eisen) en Israël a été le premier      posants pour la détection gamma et, en particulier pour
à montrer un prototype complet de gamma-caméra CdTe             constituer des têtes de gamma-caméra sur la base du nou-
16x16 cm² et des images : la caméra NUCAM (1995) . Le           veau matériau CdZnTe, compensé à l’Indium. La technolo-
matériau est du CdTe chloré avec des détecteurs de 4x4          gie permet d’obtenir des structures monolithiques de 40x40
mm2 associés à une électronique standard. La tête de la         mm² composées de 16x16 pixels au pas de 2.5 mm. L’épais-
caméra pèse environ 4 kg. Les images mettent en valeur le       seur typique est 4 mm. Le détecteur est associé à une plate-
gain en contraste obtenu grâce à une résolution en éner-        forme intégrant l’électronique de proximité pour 256 voies.
gie de 5 %, mais l’efficacité de détection est réduite. En      Cette plate-forme peut elle-même être associée à d’au-tres
évaluation clinique depuis plus de 3 ans, les performances      sur une carte-mère pour constituer une tête de détection.
sont considérées comparables à celles de la caméra d’Anger      Les performances annoncées sont de l’ordre de 5 % pour
(22),(23).                                                      la résolution en énergie avec une récupération de 70 % des
                                                                gammas détectés dans une fenêtre de largeur 13 %.
Sur les bases de cette première expérience et l’apparition
du matériau haute pression, s’initie en 1995, la collabora-     Le groupe Saint-GOBAIN, leader mondial des cristaux NaI
tion General Electric- eV Products - ISORAD pour le déve-       pour gamma-caméras, est lui aussi engagé sur ce thème
loppement d’une gamma-caméra CdZnTe. Le développe-              par l’intermédiaire de ses filiales CRISMATEC en France
ment se poursuit dans le cadre de la nouvelle société           et Saint-GOBAIN industrial Ceramics (Division BICRON)
ELGEMS regroupant les activités de médecine nucléaire           aux Etats-Unis en collaboration avec le CEA-LETI. Le pro-
de General Electric et de ELSCINT.                              jet dénommé PEGASE (Projet d’Etude d’une GAmma-ca-
                                                                méra à SEmi-conducteurs) a démarré en 1995 par une phase
La société DIGIRAD (DIGIRAD Corporation) aux Etats-             aidée par le Ministère de la Recherche dans le cadre d’une
Unis est la première société à proposer à la commercialisa-     procédure "Saut technologique". Cette phase, principale-
tion depuis 1997 une gamma-caméra CdZnTe sur la base            ment axée sur le développement du matériau CdZnTe par
d’un concept d’unité mobile, dénommé Digirad 2020tc Ima-        la méthode haute pression initié en collaboration avec le
ger. La surface active est de 21.6 x 21.6 cm² et est composée   Dr. Raiskin, s’est achevée avec succès courant 1998.
de 64 modules de 2.5x2.5x1.2 cm3. Chaque module com-
prend un détecteur CdZnTe monolithique de 8x8 pixels de         Le programme de collaboration Saint-GOBAIN-LETI se
3x3 mm² et un circuit intégré pour la mise en forme du          poursuit par une nouvelle phase qui doit aboutir au déve-
signal. La capacité de comptage est de 500 kcoups/s. Inté-      loppement d’un produit industriel (Figure 7).
grant des détecteurs réalisés selon la technologie
SpectrumPlusTM (cf. § 4), la résolution en énergie peut at-       Le produit initial est un module de 4 plates-formes com-
teindre 4 % à 140 keV (spécifications 8% à 140 keV) (24).         portant chacune 16 détecteurs et un circuit intégré 16 voies
DIGIRAD a mis la caméra en évaluation clinique dans plu-          pour l’électronique de proximité. Le matériau et la techno-
sieurs hôpitaux et publie une série d’images disponibles          logie des détecteurs sont développés conjointement par
sur INTERNET (www.digirad.com) qui montre l’améliora-             Saint-GOBAIN et le LETI. La partie système, à savoir le
tion de la détectabilité par rapport à une caméra d’Anger, à      développement des composants de base (la plate-forme,

                                                            134                            Revue de l'ACOMEN, 1999, vol.5, n°2
Vers les gamma caméras à semi-conducteurs

les circuits intégrés spécifiques, l’électronique d’acquisi-     Les technologies utilisées issues des progrès de l’électro-
tion) est assumée par le LETI.                                   nique et de son intégration vont dans le sens de la fiabilité.
                                                                 Ce critère sera déterminant pour le choix de la technique de
Dans ce projet, l’originalité intervient en particulier au ni-   croissance du matériau et de la technologie de réalisation
veau du traitement du signal décrit au paragraphe 4 et qui       des détecteurs .
fait l’objet d’un brevet CEA-LETI. Cette méthode présente
l’intérêt d’atteindre une efficacité de collection optimale      Le coût reste le véritable challenge, car le contexte du mar-
en conservant la performance spectrométrique du maté-            ché de la santé, particulièrement en médecine nucléaire,
riau.                                                            n’est pas prêt à accepter des hausses de prix des équipe-
                                                                 ments. Le point sensible est essentiellement sur le rende-
                                                                 ment du matériau, c’est-à-dire le rendement avec lequel on
                                                                 va obtenir des détecteurs élémentaires de la qualité re-
                                                                 quise. C’est là que se portent beaucoup d’efforts.

                                                                 Références bibliographiques
                                                                 1. C. Mestais, R. Allemand, O. Peyret, E. Tournier, Les compromis
                                                                 physiques de la détection nucléaire. Incidence sur la conception des
                                                                 caméras. Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métaboli-
                                                                 que 1994 ; 19 : 303-309
                                                                 2. D.W. Heyda, F.R. Croteau, J.A. Govaert, A third generation
                                                                 digital gamma camera. Proceedings of SPIE 1984;454 : 478-484
                                                                 3. O. Peyret, C. Mestais, R. Allemand, E. Tournier, Les méthodes
                                                                 de détection autres que la caméra d’Anger. Médecine Nucléaire -
                                                                 Imagerie fonctionnelle et métabolique 1994 ; 18 : 310-316
                                                                 4. L. Kaufman, K. Hosier, V. Lorenz, D. Shosa, J. Ooenninger, A.
                      - FIGURE 7 -
                                                                 Cheng, M. Okerlund, R.S. Hattner, D.C. Price, S. Williams, J.H.
              Schéma gamma-caméra PEGASE
                                                                 Ewins, G.A. Armantrout, D.C. Camp and K. Lee, Imaging
                                                                 characteristics of a small germanium camera. Investigative Radiology
                                                                 1978 : 223-232
6. Conclusions                                                   5. J.C. Peres, J. Lepaisant, B. Cahan, D. Bloyet, G. Bouvard, Y.
                                                                 Hernandez, Gamma            caméra au germanium ultra-pur : étude fai-
                                                                 sabilité, imagerie plane et tomographie. J. Med. Nucl. Biophy. 1991;
Comme dans le domaine de la radiologie où une nouvelle           15, 4 ; 410-419
technologie de détecteurs numériques apparaît pour rem-          6. E. Raiskin, J.F. Butler, CdTe low level gamma detectors based on
placer le film radiographique et les intensificateurs d’image    a new crystal growth method, IEEE Transactions on Nuclear Science
                                                                 1988 ; vol. 35, n°1 : 81-84
radiologique, la nouvelle génération de détecteurs pour la       7. J.F. Butler, F.P. Doty, C. Lingren, Recent Developments in
médecine nucléaire, qui remplacera la technologie d’Anger,       CdZnTe gamma ray detector technology, Proceedings of SPIE 1992
est en marche. Mais des efforts importants sont encore à         ; vol. 1734 : 131 et suite
fournir, et la nouvelle technologie ne s’imposera qu’à par-      8. U. Lachish, The role of contacts in semiconductor gamma radia-
                                                                 tion detector, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research
tir du moment où elle proposera des produits plus perfor-        1998 ; A 403 : 417-424
mants, plus ergonomiques, plus fiables, et à terme moins         9. H. Bedoui, P. Masquelier, C. Hossein-Foucher, D. Huglo, X. Mar-
chers que les produits existants.                                chandise, J. Rousseau, Réalisation et évaluation des performances
                                                                 d’une caméra miniature peropératoire CdTe, Innov. Techn. Biol.
                                                                 Med., 1998 ; vol 19, n°1 : 51-57
Du côté des performances, la nouvelle technologie pré-           10. J.D. Allison, Cadmium telluride matrix gamma camera, Med.
sente, comme nous l’avons vu, de sérieux atouts en réso-         Phys. 1980 ; 7(3) : 202-206
lution en énergie et en capacité de comptage. Les efforts        11. M. Arques, N. Baffert, D. Lattard, J.L. Martin, G. Masson, F.
vont se porter sur le paramètre efficacité de détection. Par     Mathy, A. Noca, J.P. Rostaing, P. Trystram, P. Villard, J. Cretolle,
                                                                 F. Lebrun, J.P. Leray, A basic component for ISGRI, the CdTe
ailleurs, du côté de la résolution en énergie, on peut s’at-     gamma camera on board the INTEGRAL satellite, présenté au
tendre à des évolutions, car les résultats actuels sont en-      Congrès IEEE Toronto 1998
core assez éloignés des limites physiques.                       12. K. Chattopadhyay, H. Chen, K-T. Chen Arnold Burger, J.P.
                                                                 Flint & H.L. Glass, R.B. James, Gamma ray spectrometers fabricated
                                                                 from modified Bridgman/Annealed CZT crystal material, Mat. Res.
En ce qui concerne l’ergonomie, la structure très légère et      Soc. Symp. Proc. 1998 ; vol. 487 : 123-128
à pixels de la caméra devrait ouvrir des possibilités tant du    13. K.G. Lynn, M. Weber, H.L. Glass, J.P. Flint, Cs. Szeles, Improved
point de vue de l’utilisation courante de la caméra que du       CdZnTe detectors grown by vertical Bridgman process, Mat. Res.
point de vue de nouvelles modalités accessibles par de           Soc. Symp. Proc. 1998 ; vol 487 : 229-238
nouvelles géométries.

Revue de l'ACOMEN, 1999, vol.5, n°2                          135
O. PEYRET, C. MESTAIS, L. VERGER

14. R. Sudharsanan, C.C. Stenstrom, P. Bennett, G.D. Vakerlis,            21. H.B. Barber, B.A. Apotovsky, F.L. Augustine, H.H. Barrett,
Performance of P-I-N CdZnTe radiation detectors and their unique          E.L. Dereniak, F.P. Doty, J.D. Eskin, W.J. Hamilton, D.G. Marks,
advantages, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 1998 ; vol 487 : 245-255          K.J. Matherson, J.E. Venzon, J.M. Woolfenden, E.T. Young,
15. M.A. Gagliardi, S. Nenonen, T. Gagliardi, L. Aleksejeva, V.           Semiconductor pixel detectors for gamma-ray imaging in nuclear
Ivanov and M. Bavdaz, Evaluation of indium diffused M-i-n CdZnTe          medicine, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research
detectors, Mat. Res. Soc. Symp. Proc 1998 ; vol 487 : 165-170             1997 ; A 395 : 421-428
16. J.F. Butler, Novel electrode design for single-carrier charge         22. Y. Eisen, A. Shor, C. Gilath, M. Tsabarim, P. Chouraqui, C.
collection in semiconductor nuclear detectors, Nuclear Instruments        Hellman, E. Lubin, A gamma camera based on CdTe detectors,
and Methods in Physics Research 1997 ; A 396 : 396-399                    Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 1996 ; A
17. C.L. Lingren, B. Apotovsky, J.F. Butler, F.P. Doty, S.J.              380 : 474-478
Friesenhahn, A. Oganesyan, B. Pi, S. Zhao, Mapping detector               23. Y. Eisen & A. Shor, CdTe and CdZnTe materials for room-
response over the area of a CdZnTe multiple-electrode detector,           temperature X-ray and gamma ray detectors, 8 th International
Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1998 ; vol 487 : 263-274                       Conference on II-VI compounds, Grenoble 1997
18. Z. He, G.F. Knoll, D.K. Wehe, Y.F. Du, Coplanar grid patterns         24. J.F Butler, C.L. Lingren, S.J. Friesenhahn, F.P. Doty, W.L.
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Instruments and Methods in Physics Research 1998 ; A 411 : 107-           Collins, S. Zhao and C. Issacson, CdZnTe solid-state gamma camera,
113                                                                       IEEE Transactions on Nuclear Science 1998 ; vol. 45, n°3 : 359-
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developments in CdTe and CdZnTe detectors for X and g-ray appli-          25. C. Scheiber, B. Eclancher, J. Chambron, V. Prat, A. Kazandjan,
cations, Journal of Electronic Materials, 1997 ; vol. 26, n°6 : 738-      A. Jahnke, R. Matz, S. Thomas, S. Warren, M. Hage-Ali, R. Regal,
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20. L. Verger, J.P. Bonnefoy, A. Glière, P. Ouvrier-Buffet, M. Rosaz,     camera, ICCG12-ICVGE10 Conference, Jerusalem, 26-31.7.1998,
Simulated and associated experimental results of CdZnTe radia-            à paraître dans Nuclear Instruments and Methods in Physics
tion detector response for gamma-ray imaging applications, Mat.           Research
Res. Soc. Symp. Proc 1998 ; vol. 487 : 171-185

                                                                 ______

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