Le projet XEMIS (XEnon Medical Imaging System), initié à Subatech en 2004 a pour objectif de développer une caméra Compton au xénon liquide pour l'imagerie médicale.

Une nouvelle technique d’imagerie appelée imagerie à 3 photons gamma dont le principe est illustrée sur la figure ci-dessous, a été proposée par notre équipe au Laboratoire SUBATECH. Elle repose sur la reconstruction directe en 3D de la position d'émetteurs radioactifs particuliers comme le

Principe de l'imagerie à 3 gamma

Scandium-44, émetteur (β+,γ). Celui-ci est en effet un excellent candidat pour cette imagerie nécessitant un radiotraceur émettant quasi-simultanément un positron et un photon gamma. Les deux gammas issus de l’annihilation du positron avec la matière sont détectés en coïncidence, comme en tomographie par émission de positrons (TEP). La direction du troisième photon gamma est reconstruite sous la forme d'un cõne à l’aide d’un télescope Compton au xénon liquide. En croisant les deux informations il est alors possible d'inférer la position du point d’émission désintégration par désintégration, ce qui est actuellement impossible avec les techniques d’imagerie nucléaire actuelles. Basé sur ce concept, un prototype de télescope Compton au xénon liquide de petite dimension (XEMIS1) a vu le jour à SUBATECH. Il a permis de démontrer la faisabilité du concept de l'imagerie à 3 photons en vue d'une application future pour l'homme. En parallèle des développements instrumentaux menés à SUBATECH, des travaux de recherche sur un nouveau radiopharmaceutique marqué avec du Scandium-44 s’effectuent notamment au niveau local en collaboration avec les équipes du cyclotron ARRONAX, de l'INSERM et du CHU de Nantes.

Telescope Compton au xénon liquide (XEMIS1)

Depuis les années 70, le xénon liquide fait l’objet de développements directement liés à l’imagerie médicale fonctionnelle nucléaire. Deux grands axes de recherche autour du xénon liquide ont vu le jour. Le premier allie la détection de la lumière de scintillation et des électrons d’ionisation. Le signal d'ionisation est utilisé pour déterminer la position en 3D et l’énergie de chacune des interactions, la lumière sert à mesurer le temps de dérive des porteurs de charge (les électrons). Le second type de détecteurs utilise uniquement la lumière de scintillation pour déterminer l’énergie et la position des interactions. Le xénon liquide possède un numéro atomique élevé (54) et une forte densité (3 g/cm3), ce qui lui confère un fort pouvoir d’arrêt des particules ionisantes. Son utilisation sous sa forme liquide est néanmoins contrainte par sa température de liquéfaction de 165 K sous 1 bar. Le xénon liquide possède par ailleurs un excellent rendement d'ionisation et de scintillation, ce qui le rend particulièrement intéressant pour la détection des photons gamma dans le domaine d'énergie de quelques dizaines de keV jusqu'à quelques MeV.

XEMIS1 TPC

La figure ci-contre montre de manière schématique la structure et le fonctionnement de la chambre à projection temporelle (TPC) au xénon liquide qui est opérationnelle dans notre dispositif expérimental (XEMIS1). La profondeur du volume actif de xénon est de 6 cm afin d’assurer une efficacité intrinsèque de détection des gamma d'énergie proche du MeV suffisamment élevée. Lorsqu’un gamma interagit dans le xénon liquide, il y a création simultanément d’un signal de scintillation et d’un signal d’ionisation à chaque interaction. Les photons de scintillation UV sont détectés par un photomultiplicateur (PM).  Le signal de scintillation est unique pour l’ensemble d’une séquence Compton et marque le temps de départ t0 de dérive des charges. Les charges créées autour de chaque vertex d'interaction du gamma vont dériver sous l'effet d'un champ électrique vers l'anode segmentée pour y induire des courants électriques sur les pixels. Ces signaux induits sur les pixels permettent une localisation des interactions dans un plan perpendiculaire au champ électrique (x,y). Le temps associé à l’arrivée des paquets d’électrons de chaque interaction (t1) au niveau de l’anode permet, connaissant la vitesse de dérive V des électrons dans le xénon liquide, de calculer la troisième coordonnée z suivant la relation : z = V (t1 - t0). Afin de ne pas induire un signal sur l’anode durant toute la dérive des porteurs de charge, le signal est écranté par une grille de Frisch. La lecture du signal d’ionisation est faite grâce à une microstructure appelée MIMELIE constituée d'une zone d'induction d'une hauteur d'environ 100 μm et d'une microgrille électroformée. Chaque pixel est connecté à une électronique front-end bas bruit IDeF-X-HD comportant 16 voies, qui a été développée initialement par le CEA à Saclay et adaptée à XEMIS, elle intègre un préamplificateur de charge et un shaper.

Caméra pour l'imagerie à 3 photons du petit animal (XEMIS2)

La deuxième phase du projet appelée XEMIS2  est actuellement en cours et consiste en la construction d’une caméra cylindrique dédiée à l’imagerie du petit animal. Cette caméra contenant 200 kg de xénon liquide, installée au centre d’imagerie CIMA (Centre d'Imagerie Multimodalités et Applications) du CHU de Nantes devra à terme produire des images de souris effectuées dans le cadre de recherches d’intérêt préclinique. La technologie mise en œuvre est complètement nouvelle et a nécessité la conception d’une puce électronique XTRACT dédiée à la mesure du signal d’ionisation sur chacun des 20000 pixels de la caméra XEMIS2, ce développement a été effectué en collaboration avec le pôle MICRHAU de l’IN2P3. Un système cryogénique original de récupération et de stockage du xénon liquide a également été conçu en partenariat avec le groupe ALAT d’Air Liquide.
L’objectif scientifique principale de XEMIS2 est de montrer qu’il est possible de réaliser une image d’un petit animal de bonne qualité à basse activité, environ 100 fois moins que celle utilisée avec une camera microPET classique à cristaux scintillants. Pour atteindre cet objectif, de nouveaux algorithmes de reconstruction adaptés à l’imagerie à 3 photons sont à l’étude en partenariat avec des chercheurs spécialistes de ce domaine du laboratoire LATIM à Brest, du CRCINA à Nantes et de l’Ecole Centrale de Nantes (LS2N).

XEMIS2 à CIMA

La conception de la mécanique de XEMIS2 a été réalisée à SUBATECH ainsi que l'usinage de certaines pièces. Les figure ci-dessous montrent une coupe du détecteur où l'on peut distinguer les deux TPC cylindriques avec une cathode centrale commune et les deux anodes équipées de leur électronique de lecture à chaque extrémité. La zone active est entourée de photomultiplicateurs montés dans un support mécanique visible sur la photo ci-dessous.

XEMIS2 mécaniqueXEMIS2 mécanique

La conception de la chaîne électronique de lecture des signaux d'ionisation et de scintillation, allant du détecteur jusqu'au système d'acquisition des données a été en grande partie réalisée à SUBATECH. La figure ci-dessous montre une vue d'ensemble de l'assemblage de l'électronique de lecture du signal d'ionisation sur une demi TPC. Un banc test constitué de l'électronique Front End jusqu'au système d'acquisition des données a permis de valider une partie de la chaĩne de lecture (photo ci-dessous).

 XEMIS2 électroniqueXEMIS2 Electronique 2

Dès le début du projet XEMIS, les performances attendues en terme de qualité d'image de l'imagerie à 3 photons ont été estimées à partir de simulations Monte Carlo basées sur les logiciels GEANT4 et GATE. Des algorithmes de reconstruction dédiés ont été développés afin de bénéficier le plus possible des avantages combinés de cette nouvelle modalité d'imagerie et de la technologie au xénon liquide. La figure ci-dessous représente les images d'un fantôme numérique (cylindre de 7 cm de diamètre et 12 cm de long) simulé sous GATE et reconstruit avec un algorithme de type ML-EM TOF-PET.  Le temps d'aquisition est de 20 minutes avec une activité totale de la source de Scandium-44 simulée de seulement 20 kBq. L'apport de l'information du cõne Compton sur la qualité de l'image obtenue est mis en évidence dans cette étude. L'mage à gauche est reconstruite en utilisant uniquement l'information des LOR (Line Of Response) comme en TEP stardard, l'image du milieu et l'image de droite sont reconstruites en utilisant l'information du croisement du cõne Compton avec la LOR pour deux valeurs différentes d'un paramètre caracérisant la résolution spatiale du croisement.

images XEMIS2 3Gamma