Development of a Liquid xenon Compton telescope dedicated to functional medical imaging
Étude et développement d'un télescope Compton au xénon liquide dédié à l'imagerie médicale fonctionnelle
Résumé
Functional imaging is a technique used to locate in three dimensions the position of a radiotracer previously injected to a patient. The two main modalities used for a clinical application to detect tumors, the SPECT and the PET, use solid scintillators as a detection medium.
The objective of this thesis was to investigate the possibility of using liquid xenon in order to benefit from the intrinsic properties of this medium in functional imaging. The feasibility study of such a device has been performed by taking into account the technical difficulties specific to the liquid xenon.
First of all, simulations of a liquid xenon PET has been performed using Monte-Carlo methods. The results obtained with a large liquid xenon volume are promising: we can expect a reduction of the injected activity of radiotracer, an improvement of the spatial resolution of the image and a parallax free camera.
The second part of the thesis was focused on the development of a new concept of medical imaging, the three gamma imaging, based on the use of a new emitter: the 44 scandium. Associated to a classical PET camera, the Compton telescope is used to infer the incoming direction of the third gamma ray by triangulation. Therefore, it is possible to reconstruct the position of each emitter in three dimensions.
This work convinced the scientific community to support the construction and characterization of a liquid xenon Compton telescope. The first camera dedicated to small animal imaging should then be operational in 2009.
The objective of this thesis was to investigate the possibility of using liquid xenon in order to benefit from the intrinsic properties of this medium in functional imaging. The feasibility study of such a device has been performed by taking into account the technical difficulties specific to the liquid xenon.
First of all, simulations of a liquid xenon PET has been performed using Monte-Carlo methods. The results obtained with a large liquid xenon volume are promising: we can expect a reduction of the injected activity of radiotracer, an improvement of the spatial resolution of the image and a parallax free camera.
The second part of the thesis was focused on the development of a new concept of medical imaging, the three gamma imaging, based on the use of a new emitter: the 44 scandium. Associated to a classical PET camera, the Compton telescope is used to infer the incoming direction of the third gamma ray by triangulation. Therefore, it is possible to reconstruct the position of each emitter in three dimensions.
This work convinced the scientific community to support the construction and characterization of a liquid xenon Compton telescope. The first camera dedicated to small animal imaging should then be operational in 2009.
L'imagerie médicale fonctionnelle permet de localiser en trois dimensions la position d'un traceur radioactif injecté au préalable à un patient. Les deux principales modalités employées en routine clinique pour détecter les tumeurs, la TEMP et la TEP, utilisent la technologie des scintillateurs solides comme milieu de détection des photons gamma.
Le but de cette thèse a été d'étudier la possibilité d'utiliser du xénon liquide, les propriétés intrinsèques de ce scintillateur en faisant un candidat intéressant pour une application en imagerie fonctionnelle. L'étude de faisabilité a été réalisée en tenant compte des difficultés techniques inhérentes à l'utilisation du xénon liquide.
Tout d'abord, des simulations d'une TEP au xénon liquide ont été menées à l'aide de méthodes Monte-Carlo. Les résultats obtenus avec un grand volume de détection laissent envisager une réduction de l'activité de radioélément injectée au patient ainsi qu'une amélioration de la résolution spatiale de l'image et une suppression de l'effet de parallaxe.
La seconde partie de cette thèse s'est portée sur un nouveau concept d'imagerie médicale à trois photons, basée sur l'utilisation de scandium 44. Associé à une camera TEP classique, le télescope Compton est chargé de mesurer la direction d'arrivée du troisième gamma par triangulation. Il est alors possible de reconstruire directement la position de l'émetteur dans les trois dimensions.
Ces travaux ont convaincu la communauté scientifique d'accompagner la construction et la caractérisation d'un télescope Compton au xénon liquide. La première caméra dédiée a l'imagerie du petit animal devrait ainsi voir le jour a l'horizon 2009.
Le but de cette thèse a été d'étudier la possibilité d'utiliser du xénon liquide, les propriétés intrinsèques de ce scintillateur en faisant un candidat intéressant pour une application en imagerie fonctionnelle. L'étude de faisabilité a été réalisée en tenant compte des difficultés techniques inhérentes à l'utilisation du xénon liquide.
Tout d'abord, des simulations d'une TEP au xénon liquide ont été menées à l'aide de méthodes Monte-Carlo. Les résultats obtenus avec un grand volume de détection laissent envisager une réduction de l'activité de radioélément injectée au patient ainsi qu'une amélioration de la résolution spatiale de l'image et une suppression de l'effet de parallaxe.
La seconde partie de cette thèse s'est portée sur un nouveau concept d'imagerie médicale à trois photons, basée sur l'utilisation de scandium 44. Associé à une camera TEP classique, le télescope Compton est chargé de mesurer la direction d'arrivée du troisième gamma par triangulation. Il est alors possible de reconstruire directement la position de l'émetteur dans les trois dimensions.
Ces travaux ont convaincu la communauté scientifique d'accompagner la construction et la caractérisation d'un télescope Compton au xénon liquide. La première caméra dédiée a l'imagerie du petit animal devrait ainsi voir le jour a l'horizon 2009.