Etude, développement et validation d'un concept d'architecture électronique sans temps mort pour TEP de haute sensibilité
Résumé
Positron emission tomographs (PET) are fitted with highly capable reading electronics, which owns qualities and drawbacks. Highly accused at first as an explanation of the poor sensitivity of these imagers, the present study points out that the dead-times shared along the chains contribute to only 16% in the data losses at a typical activity of 10 microCi/ml. The gross acquisition rates could thus be raised by 20% through a suppression of these saturations. Looking in details at the philosophy of the acquisition procedure, a property appears to circumscribe the sensitivity even more : the timing resolution. The latter conditions, to the first order, the rejection capabilities of randoms events, part of the scattered ones and hence noise which is finally ratioed to the true coincidences the signal is made up of. Minimizing the resolving time goes through the suppression of the unneeded actors along with the adoption of a well adapted time-stamping method (optimal filtering). In doing so, the intrinsic channel resolution appears to be possibly lowered by a factor 7, reducing to 350 ps. The bottom value of the coincidence window may be narrowed as a consequence, leading to an increase of the NECR by 50%. At this stage, a time of flight (TOF) algorithms can be implemented. As an opportunist, it promises a reduction of the noise variance by 430%, a gain that echos on the NECR figure. Finally merging all these ideas allows to expect an improvement close to an order of magnitude on the NECR, with the hope of routine exams shortened by the same amount. In this context, it appeared logical to imagine a new electronics acquisition synoptic dedicated to fully pixelated PET. The number of channels blows up by the way when compared to the existing, this statement being partially balanced by the decision to fully integrate the electronics. The measures of the energy and time are planned to be performed with a single channel, with a continuous and dead-timeless reading of the events. The development of the microelectronics circuits is under way, the three first blocks being described in this dissertation. Eventually, the implementation of a demonstrator is foreseen.
L'électronique de lecture des tomographes à émission de positrons (TEP) est performante, mais possède son lot de qualités et de défauts. Hautement incriminée, spontanément, dans l'explication de la sensibilité assez pauvre de ces instruments, il ressort tout d'abord de l'étude présentée que les temps morts répartis relatifs à l'électronique n'incombent aux pertes de données qu'à hauteur de 16% pour une activité injectée typique de 10 microCi/ml. Les taux d'acquisition bruts pourraient ainsi être majorés de 20% par la suppression des saturations. A regarder plus en détails la philosophie de l'acquisition sur ces imageurs, il apparaît un caractère limitant davantage encore la sensibilité : la résolution temporelle. Elle conditionne, au premier ordre, les possibilités de réjection des événements fortuits, d'une partie des diffusés et donc du bruit, finalement rapporté au signal matérialisé par les vraies coïncidences. Une minimisation de la résolution temporelle passe par la suppression des acteurs inutiles et l'adoption d'une technique d'étiquetage temporel adaptée (filtrage optimal). Ce faisant, la résolution intrinsèque des voies de lecture est diminuée d'un facteur 7, se réduisant à 350 ps. Le plancher du fenêtrage en coïncidence peut être abaissé substantiellement et le NECR augmente de 50% en conséquence. A ce stade, un algorithme de mesure du temps de vol (TOF) peut être implémenté. Opportuniste, il promet une réduction de la variance associée au bruit de 430%, ce gain se répercute sur le NECR. Au final, le cumul des idées permet d'espérer gagner un ordre de grandeur sur le rapport signal sur bruit NECR, avec l'espoir d'examens cliniques raccourcis d'autant. Dans ce contexte, il est apparu légitime d'imaginer un nouveau synoptique d'acquisition pour TEP entièrement pixélisés. Le nombre de canaux explose au passage, par rapport à ce qui existe. Ceci est en partie compensé par la décision d'intégrer l'électronique au maximum. Les mesures d'énergie et de temps sont prévues sur une seule et même voie d'acquisition, avec une lecture en continue et sans temps mort des événements incidents. Le développement de l'électronique est en cours, ce manuscrit donne une description des trois premiers blocs. A terme, la réalisation d'un démonstrateur est prévue.
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