FR3135148A1

FR3135148A1 - Dispositif d’estimation de l’activité d’un liquide radioactif

Info

Publication number: FR3135148A1
Application number: FR2204120A
Authority: FR
Inventors: Benoit SABOT; Philippe Gervais; Matthieu Hamel; Florestan OGHEARD
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Florestan Ogheard Fr; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2022-05-01
Filing date: 2022-05-01
Publication date: 2023-11-03
Anticipated expiration: 2042-05-01
Also published as: US20250258305A1; EP4519716A1; WO2023213697A1; FR3135148B1

Abstract

Dispositif (1) destiné à mesurer l’activité d’un liquide radioactif (2), comportant : un module de détection (10), s’étendant autour d’une chambre de mesure (3), destinée à contenir le liquide, et configuré pour détecter un rayonnement ionisant et pour émettre un signal de détection; une unité de traitement (40), reliée au module de détection, programmée pour estimer une activité du liquide radioactif à partir du signal de détection ; le dispositif étant caractérisé en ce que le module de détection comporte : un détecteur scintillateur solide (11), s’étendant autour de la chambre de mesure ; au moins deux photodétecteurs (15), optiquement couplés au détecteur scintillateur; le dispositif comporte un capillaire (3), s’étendant autour d’un axe longitudinal (Δ),le capillaire étant agencé pour être disposé dans une position de mesure, le capillaire formant la chambre de mesure.

Description

Dispositif d’estimation de l’activité d’un liquide radioactif

Le domaine technique de l’invention est l’analyse de l’activité volumique ou massique d’un liquide radioactif, notamment en vue d’une utilisation à des fins de diagnostic ou de traitement médical.

ART ANTERIEUR

Certaines applications de médecine nucléaire nécessitent d’introduire, dans l’organisme, un produit marqué par un isotope radioactif. On parle également de produit radiopharmaceutique. Le produit peut avoir une finalité de traitement médical, par exemple dans le cadre d’un traitement par curiethérapie. Le produit peut également avoir une finalité de diagnostic.

Parmi les isotopes radioactifs, ou radionucléides, usuellement utilisée en médecine nucléaire, citons par exemple¹¹C,¹⁸F,⁶⁷Ga,⁹⁰Y,⁹ ^9mTc,¹¹¹In,¹²³I,¹ ²⁵I,¹³¹I, ²⁰¹Tl. Préalablement à leur injection dans le corps d’un patient, il est nécessaire de quantifier, aussi précisément que possible, leur activité. Il peut également être utile d’identifier et de quantifier la présence d’éventuelles impuretés résultant du procédé de production des isotopes radioactifs.

En milieu hospitalier, l’activité d’un isotope est quantifiée préalablement à son injection, en utilisant un dispositif de mesure usuellement désigné activimètre. Un activimètre est un détecteur, généralement une chambre d’ionisation, formant un puits. Le produit radioactif est introduit, sous forme liquide, dans le puits et son activité est estimée. Le produit radioactif est contenu dans un récipient, tel une seringue ou un flacon. La chambre d’ionisation a préalablement fait l’objet d’un étalonnage, permettant d’obtenir une relation entre une intensité du courant, résultant de la chambre d’ionisation, et l’activité de l’isotope radioactif. L’étalonnage dépend du type d’isotope utilisé. L’étalonnage dépend également de la géométrie de la mesure, c’est-à-dire la forme et la nature du récipient contenant le produit radioactif. L’étalonnage est par exemple différent lorsque le produit radioactif est contenu dans une seringue ou un flacon. L’étalonnage dépend du niveau de remplissage ainsi que de l’isotope à mesurer. L’étalonnage nécessite généralement le recours à un laboratoire spécialisé.

Les inventeurs proposent un dispositif permettant d’estimer l’activité volumique, ou massique, d’une solution contenant un isotope destiné à être utilisé en médecine nucléaire, de façon simple et automatisable, sans nécessiter le recours à un étalonnage complexe.

Un premier objet de l’invention est un dispositif destiné à mesurer l’activité de liquide radioactif, et notamment d’une goutte de liquide radioactif, comportant :

un module de détection, s’étendant autour d’une chambre de mesure, destinée à contenir le liquide, le module de détection étant configuré pour détecter un rayonnement ionisant émis dans la chambre de mesure et pour émettre un signal de détection dépendant d’une quantité de rayonnement détecté ;
une unité de traitement, reliée au module de détection, et programmée pour estimer une activité du liquide radioactif à partir du signal de détection ;

le dispositif étant caractérisé en ce que

le module de détection comporte :
- un détecteur scintillateur, solide , configuré pour produire des photons de scintillation lorsqu’il est exposé au rayonnement ionisant, le détecteur scintillateur s’étendant autour de la chambre de mesure ;
- au moins deux photodétecteurs, optiquement couplés au détecteur scintillateur, chaque photodétecteur étant configuré pour détecter des photons de scintillation et générer un signal de détection dépendant de la quantité de photons de scintillation détectés ;

le dispositif comportant un capillaire, s’étendant autour d’un axe longitudinal, et délimitant un espace interne destiné à contenir le liquide radioactif, le capillaire étant agencé pour être disposé dans une position de mesure, dans laquelle le détecteur scintillateur s’étend autour de l’espace interne du capillaire, le capillaire formant la chambre de mesure.

De préférence, le détecteur scintillateur s’étend autour du capillaire.

Selon une possibilité, le détecteur scintillateur forme une paroi du capillaire.

Avantageusement,

une ouverture, est pratiquée à travers le détecteur scintillateur, le long de l’axe longitudinal;
le capillaire s’étend à travers l’ouverture lorsqu’il est disposé dans la position de mesure.

Chaque photodétecteur peut notamment s’étendre autour d’un axe de détection sécant de l’axe longitudinal. Les axes de détection respectifs de chaque photodétecteur sont de préférence coplanaire, et de préférence dans un plan perpendiculaire à l’axe longitudinal. Les axes de détection respectifs de chaque photodétecteur sont de préférence régulièrement espacés angulairement les uns des autres, autour de l’axe longitudinal.

Le détecteur scintillateur peut comporter une portion centrale sphérique ou cylindrique ou polyédrique traversée par l’ouverture. Le dispositif est tel que le capillaire est inséré dans l’ouverture au moins dans la position de mesure.

Chaque photodétecteur est de préférence optiquement couplé au détecteur scintillateur par une face plane. La face plane est destinée à favoriser un couplage optique avec le photodétecteur.

Selon une possibilité, le détecteur scintillateur s’étend, à partir de l’ouverture, jusqu’à au moins une face plane, de façon que le détecteur scintillateur comporte la portion centrale, autour de l’ouverture, et la face plane.

De préférence, le détecteur scintillateur comporte autant de faces planes que de photodétecteurs.

Selon une possibilité, le dispositif comporte un matériau transparent aux photons de scintillation, s’étendant entre le détecteur scintillateur et au moins une face plane.

Le dispositif peut comporter un détecteur spectrométrique s’étendant face au capillaire, et relié à l’unité de traitement. Le détecteur spectrométrique est relié à l’unité de traitement, l’unité de traitement étant configurée pour détecter une présence d’impuretés, notamment métalliques, dans le liquide, à partir de pics de fluorescence X détectés sur un spectre généré par le détecteur spectrométrique.

De préférence, le dispositif comporte une unité de translation motorisée, configurée pour déplacer, en translation, le capillaire, selon l’axe longitudinal, de façon que le capillaire peut passer entre la position de mesure, face au détecteur scintillateur, à au moins une position de prélèvement, la position de prélèvement étant décalée, selon l’axe longitudinal, par rapport à la position de mesure.

Le dispositif peut comporter une unité de pompage, configurée pour :

admettre, dans la position de prélèvement, le liquide dans l’espace interne du capillaire lorsque le capillaire est en contact avec une solution contenue dans un réservoir, le liquide contenu dans le capillaire constituant un échantillon de ladite solution ;
et/ou refouler le liquide de l’espace interne du capillaire.

Selon une possibilité, le capillaire comporte une face interne, délimitant l’espace interne, la face interne étant hydrophobe.

Selon un mode de réalisation préféré,

le signal de détection résultant de chaque photodétecteur comporte des impulsions, chaque impulsion résultant d’une interaction d’une particule, formant le rayonnement ionisant, dans le détecteur scintillateur ;
l’unité de traitement comporte un circuit de détection de coïncidences, configuré pour détecter des impulsions détectées en coïncidence temporelle par au moins deux photodétecteurs ;
l’unité de traitement est programmée pour estimer l’activité en fonction d’une quantité d’impulsions détectées en coïncidence temporelle.

De préférence, le dispositif comporte au moins trois photodétecteurs. Le circuit de détection de coïncidences est programmé pour permettre une détection d’impulsions détectées en coïncidences temporelles par deux détecteurs, dites coïncidences doubles, et une détection d’impulsions détectées en coïncidences temporelles par trois détecteurs, dites coïncidences triples. L’unité de traitement peut être programmée pour estimer l’activité en fonction d’un nombre de coïncidences doubles détectées par unité de temps. L’activité peut être estimée à partir d’un rendement de détection, obtenu en comparant une quantité de coïncidences doubles sur une quantité de coïncidences triples détectées selon une même période de mesure.

Le dispositif peut comporter une caméra d’observation, agencée pour visualiser le capillaire lorsque le capillaire occupe une position d’observation, décalée de la position de mesure, l’unité de traitement étant programmée pour estimer un volume de liquide dans le capillaire en fonction d’une image fournie par la caméra d’observation.

Un deuxième objet de l’invention est un procédé d’estimation d’une activité d’un liquide à l’aide d’un dispositif selon le premier objet de l’invention, comportant les étapes suivantes

introduction d’un échantillon liquide dans le capillaire;
disposition du capillaire dans la position de mesure ;
acquisition de signaux de détection par chaque photodétecteur;
en fonction des signaux de détection acquis, estimation de l’activité de l’échantillon liquide, présent dans le capillaire, à l’aide de l’unité de traitement.

Selon une possibilité,

lors de l’étape a), le capillaire occupe une position de prélèvement, au contact d’un réservoir comportant le liquide ;
entre l’étape a) et l’étape b), le capillaire est déplacé par l’unité de translation, de la position de prélèvement vers la position de mesure.

Selon une possibilité,

le dispositif comporte une unité de pompage, comme précédemment décrit ;
lors de l’étape a), l’unité de pompage est activée, de façon à aspirer une partie du liquide, présente dans le réservoir, vers le capillaire.

L’étape d) peut comporter :

détection, dans les signaux de détection, d’impulsions émises en coïncidence temporelle, par deux photodétecteurs, dites coïncidences doubles ;
prise en compte d’un rendement de détection relatif aux coïncidences doubles;
détermination de l’activité à partir d’un nombre de coïncidences doubles détectées par unité de temps et du rendement de détection relatif aux coïncidences doubles.

Selon une possibilité,

le dispositif comporte trois photodétecteurs
le rendement de détection relatif aux coïncidences doubles est calculé à partir d’un ratio entre
- un nombre d’impulsions émises, dans les signaux de détection, en coïncidence temporelle, par trois photodétecteurs, dites coïncidences triples ;
- le nombre de coïncidences doubles.

Un autre objet de l’invention est un détecteur scintillateur, traversé par une ouverture cylindrique, l’ouverture cylindrique s’étendant selon un axe central, le détecteur scintillateur comportant :

une portion centrale, formée d’un matériau solide configuré pour générer des photons de scintillation sous l’effet d’une exposition à un rayonnement ionisant, la portion centrale s’étendant autour de l’ouverture ;
des faces planes, optiquement couplées à la portion centrale, chaque face plane étant configurée pour être couplée à un photodétecteur.

Selon une possibilité, la portion centrale est sphérique, et s’étend autour de l’ouverture cylindrique. Selon une autre possibilité, la portion centrale est cylindrique, et s’étend autour de l’ouverture, autour d’un axe coaxial de l’axe central. Selon une autre possibilité, la portion centrale est polyédrique, par exemple cubique.

De préférence, la portion centrale présente une symétrie de rotation autour de l’axe central.

De préférence, la portion centrale s’étend, à partir de l’axe central, selon un rayon supérieur à 5 mm ou 10 mm.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples de réalisation présentés, dans la suite de la description, en lien avec les figures listées ci-dessous.

FIGURES

Les figures 1A à 1C représentent un exemple de dispositif selon l’invention. Sur les figures 1A, 1B et 1C, un capillaire du dispositif est respectivement disposé selon une position de prélèvement, une position d’observation et une position de mesure.

La montre un obturateur et un soufflet destinés à assurer une étanchéité du module de mesure à l’égard de la lumière ambiante.

La montre un exemple de détecteur scintillateur.

La représente le détecteur scintillateur, décrit en lien avec la , couplé à trois photomultiplicateurs.

La montre un autre exemple de détecteur scintillateur.

La schématise un autre exemple de détecteur scintillateur.

Les figures 3A et 3B montrent d’autres configurations possibles du détecteur scintillateur.

Les figures 4A et 4B représentent une géométrie de détecteur scintillateur modélisée, dans deux plans de coupe différents.

Les figures 5A et 5B sont des spectres de détection, représentant une probabilité de dépôt d’énergie par des particules émises par une activité de 1Bq de¹⁸F et¹¹C.

La montre une image de l’échantillon, placé dans la position d’observation.

La montre une image d’un objet de calibration optique gradué.

La représente un traitement de l’image représentée sur la .

La montre une image d’un autre échantillon, placé dans la position d’observation.

La schématise les principales étapes d’un procédé mettant en œuvre le dispositif selon l’invention.

EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS

Les figures 1A à 1C représentent un mode de réalisation d’un dispositif 1 selon l’invention. L’objectif du dispositif est de quantifier une activité d’un faible volume, typiquement quelques µL, d’une solution radiopharmaceutique comportant un isotope radioactif. L’isotope radioactif est connu. Il peut notamment s’agir d’un isotope tel que décrit dans l’art antérieur.

Généralement, l’activité volumique ou massique d’une solution, destinée à être injectée dans le corps d’un patient, est très élevée. Afin d’obtenir une mesure d’activité avec une bonne précision, il est préférable d’utiliser un échantillon de faible volume, de façon à éviter une saturation du détecteur utilisé. Les inventeurs considèrent qu’un volume inférieur à 10 µL, et de préférence de 1 µL ou de quelques µL, est optimal. Le volume peut également être de l’ordre de quelques 100 nL ou quelques 10 nL voire de l’ordre du nL. L’activité volumique est suffisamment élevée pour que l’activité totale soit aisément mesurable. Par ailleurs, le fait que l’activité totale de l’échantillon soit suffisamment élevée permet d’effectuer des mesures espacées dans le temps, et de vérifier que la baisse d’activité en fonction du temps est cohérente avec la période radioactive de l’isotope.

La solution radiopharmaceutique à injecter est contenue, sous forme liquide dans un réservoir 20. Un élément important de l’invention est le recours à un capillaire 3, destiné à recueillir l’échantillon 2 de la solution pharmaceutique. Dans l’exemple représenté, le capillaire 3 est un capillaire en quartz (silice fondue), de longueur 15 cm, de diamètre interne 900 µm et de diamètre externe 1200 µm. Le capillaire 3 s’étend autour d’un axe longitudinal Δ. Dans cet exemple, l’axe longitudinal Δ est parallèle à un axe vertical Z. Le plan horizontal P_XYest défini par deux axes orthogonaux X et Y.

Le capillaire 3 est mobile en translation à l’aide d’une platine de translation 4, de préférence motorisée. Dans l’exemple représenté, la platine de translation est configurée pour se déplacer le long d’un mât 5, parallèle à l’axe longitudinal Δ. La platine de translation permet une translation, selon l’axe longitudinal Δ, du capillaire. Le capillaire peut ainsi occuper différentes positions le long de l’axe longitudinal, comme décrit par la suite.

Le dispositif 1 comporte un module de mesure 10, destiné à quantifier l’activité de l’échantillon 2 préalablement prélevé dans le capillaire 3. La platine de translation 4 est ainsi configurée pour déplacer le capillaire entre :

une position de prélèvement, au contact du récipient 20, de façon à prélever un échantillon 2 de solution radiopharmaceutique : la position de prélèvement est représentée sur la . L’échantillon 2 est ainsi formé par une goutte, ou par plusieurs gouttes, résultant du prélèvement.
une position d’observation, au cours de laquelle l’échantillon 2 est placé face à une caméra d’observation 30 : la position de prélèvement est représentée sur la .
une position de mesure, au cours de laquelle l’échantillon 2 est disposé dans le module de mesure 10 : la position de prélèvement est représentée sur la .

Le dispositif est agencé de façon que lorsque le capillaire occupe la position de prélèvement, le capillaire est engagé dans le réservoir 20, de façon à être au contact de la solution radiopharmaceutique. Le réservoir 20 est amovible et peut ne pas faire partie du dispositif. Il peut s’agir d’un simple flacon. Le capillaire 3 est relié, par une liaison fluidique, à une unité de pompage 21. Dans cet exemple, le capillaire plonge dans le réservoir 20 par une première extrémité 3₁. Le capillaire comporte une deuxième extrémité 3₂opposée à la première extrémité 31. La deuxième extrémité 3₂ est reliée, par un tube d’acier 22, à l’unité de pompage 21. Dans cet exemple, l’unité de pompage 21 est une seringue reliée à un pousse seringue. Le tube d’acier 22 (diamètre interne 2 mm), fait office de liaison fluidique entre le capillaire 3 et l’unité de pompage 21. Sous l’effet de l’actionnement du pousse seringue, l’unité de pompage permet l’application d’une dépression ou d’une surpression dans le capillaire. Cela permet un pompage ou un refoulement de la solution radiopharmaceutique à travers la première extrémité 3₁du capillaire. Un échantillon liquide 2 est ainsi prélevé. L’admission de l’échantillon liquide 2 dans le capillaire 3 a été représentée sur la par une flèche.

Le dispositif peut comporter une caméra de suivi 23, configurée pour visualiser l’admission de l’échantillon liquide dans le capillaire 3. La caméra de suivi 23 est agencée pour permettre de visualiser la position du capillaire 3 par rapport à la solution présente dans le réservoir 20. Lorsque la première extrémité 3₁plonge dans la solution, l’unité de pompage 21 peut être actionnée. Le dispositif 1 peut comporter une balance 24, supportant le réservoir 20.

Suite au prélèvement de l’échantillon 2, le capillaire 3 est translaté par l’unité de translation 4, de façon à s’éloigner du réservoir 20. L’unité de pompage 21 peut être actionnée, de façon à déplacer l’échantillon 2 à l’intérieur du capillaire 3.

Le capillaire 3 est ensuite déplacé, parallèlement à l’axe longitudinal Δ, jusqu’à une position d’observation, face à une caméra d’observation 30. La caméra d’observation permet de former une image du capillaire 3, de façon à estimer le volume de l’échantillon 2. Le calcul du volume de l’échantillon est décrit par la suite, en lien avec les figures 6A à 6D. Une source de lumière 31 est agencée de façon que lorsque le capillaire occupe la position d’observation, l’échantillon 2 prélevé s’étend entre la caméra d’observation 30 et la source de lumière 31. On comprend que pour qu’une image exploitable de l’échantillon soit obtenue, le capillaire est transparent.

Suite à l’acquisition de l’image de l’échantillon 2 par la caméra d’observation 30, le capillaire 3 est translaté, par la platine de translation 4, jusqu’à une position de mesure. Dans la position de mesure, l’échantillon 2 est disposé dans le module de mesure 10. Le dispositif comporte une unité de traitement 40, reliée au module de mesure 10, programmée pour estimer une activité de l’échantillon 2 à partir de signaux de détection issus du module de mesure 10.

Ainsi, contrairement à l’art antérieur, le capillaire délimite un espace interne, qui comporte l’échantillon 2 dont l’activité est mesurée. Le capillaire forme ainsi une chambre de mesure.

Le module de mesure 10 comporte l’instrumentation permettant une estimation de l’activité de l’échantillon. La mise en œuvre du module de mesure suppose que l’isotope radioactif contenu dans l’échantillon soit connu.

Les figures 2A et 2B schématisent un détecteur scintillateur 11 dont la mise en forme convient particulièrement à l’application visée. La est une vue tridimensionnelle, tandis que la est une vue en coupe, dans un plan perpendiculaire à l’axe central, passant par le centre du détecteur scintillateur. Le détecteur scintillateur 11 est formé d’un matériau solide configuré pour générer des photons de scintillation lorsqu’il est exposé à des particules formant un rayonnement ionisant. Il peut notamment s’agir de particules chargées, telles que β^-ou β⁺, ou des photons X ou γ. Le matériau de scintillation peut être un polymère organique, auquel des dopants fluorescents ont été ajoutés. Il peut également s’agir d’un scintillateur inorganique, par exemple YaG(Ce), NaI, CsI, LaBr₃, BGO (Germanate de Bismuth). L’utilisation d’un scintillateur inorganique permet d’augmenter la sensibilité de la mesure car le pouvoir d’arrêt de ce type de scintillateur est supérieur au pouvoir d’arrêt des scintillateurs organiques. De plus, les scintillateurs inorganiques comportent des atomes ont le numéro atomique est supérieur aux composés organiques. Cela favorise des interactions photoélectriques, au cours desquelles les photons libèrent toute leur énergie dans le matériau scintillateur en une seule interaction.

En dépit de leur moindre sensibilité par rapport aux scintillateurs inorganiques, un intérêt important des matériaux scintillateurs organiques est la facilité de mise en forme, cette dernière pouvant être réalisée par moulage. Sur les figures 2A à 2D, on a représenté différentes configurations d’un détecteur scintillateur organique, à base de vinyle-toluène, pouvant être obtenues par moulage.

Le détecteur scintillateur 11 est optiquement couplé à plusieurs photodétecteurs 15. Ces derniers peuvent notamment être des photomultiplicateurs, par exemple de type Hamamatsu H13175U-110. De préférence, le détecteur scintillateur 11 comporte ou est optiquement couplé à des faces planes 12, chaque photodétecteur 15 étant appliqué contre une face plane 12, en utilisant éventuellement un fluide de couplage. Selon une possibilité, au moins un photodétecteur, voire chaque photodétecteur, est ou comporte une photodiode. Il peut par exemple s’agir d’un photodétecteur de type SiPM (Si photomultiplier – Photomultiplicateur Silicium).

Un aspect important du détecteur scintillateur est qu’il est traversé par une ouverture 13, s’étendant autour d’un axe central Δ’. Lors de l’utilisation du détecteur scintillateur dans le dispositif 1, l’axe central Δ’ est confondu avec l’axe longitudinal Δ. L’ouverture 13 est dimensionnée pour permettre une translation du capillaire 3 à travers le détecteur scintillateur 11. Par exemple, lorsque le diamètre externe du capillaire 3 est de 1,2 mm, le diamètre de l’ouverture 13 peut être égale à 1,4 mm. D’une façon générale, le diamètre de l’ouverture est de préférence compris entre 1 mm et 1 cm.

Le détecteur scintillateur peut présenter une forme parallélépipédique, avec quatre faces planes parallèles à l’axe central Δ’. Une telle possibilité est schématisée sur la . Il peut également présenter une forme polyèdrique, avec des faces planes parallèles à l’axe central Δ’

De préférence, le détecteur scintillateur présente une symétrie de rotation autour de l’axe central Δ’. Dans l’exemple représenté sur les figures 2A et 2B, le détecteur scintillateur comporte une portion centrale 11’, de forme sphérique, s’étendant autour de l’ouverture 13. La portion sphérique 11’ est agencée autour de l’ouverture 13, et de préférence symétriquement autour de l’axe central Δ’. Le fait que le matériau scintillateur présente une portion sphérique, autour de l’ouverture 13, est considéré comme avantageux pour des raisons de symétrie, en particulier lors du traitement de signaux de détection décrit par la suite.

Selon une possibilité, le détecteur scintillateur 11 peut comporter une portion centrale cylindrique, s’étendant autour de l’axe central Δ’. Une telle possibilité est représentée sur la . La paroi du capillaire peut être formée d’un matériau scintillateur.

Lorsque la portion centrale 11’ est une sphère ou un cylindre, son rayon peut être compris entre 15 mm et 25 mm lorsque le matériau scintillateur est un scintillateur organique. Le rayon est par exemple égal à 18 mm. Les dimensions optimales varient en fonction du type de matériau scintillateur utilisé. Il est considéré qu’il est optimal que la portion centrale 11’ soit sphérique.

Afin de faciliter le couplage avec les photodétecteurs 15, le détecteur scintillateur 11 comporte des faces planes 12, et de préférence parallèles à l’axe central Δ’. Sur les figures 2A et 2B, le scintillateur est monobloc. Il comporte des portions de couplage cylindriques 14, chaque portion de couplage 14 s’étendant entre la portion centrale 11’ et une face plane 12. Chaque face plane 12 s’étend perpendiculairement à un axe de détection, qui est sécant, et de préférence perpendiculaire, à l’axe central Δ’. Sur la , on a représenté trois axes de détection différents δ₁, δ₂etδ₃, perpendiculairement auxquels s’étendent trois faces planes 12 différentes. De préférence, les axes de détection sont distribués selon une symétrie autour de l’axe central Δ’. De préférence, les axes de détection sont coplanaires. Le plan selon lequel s’étendent les axes de détection est de préférence perpendiculaire à l’axe central Δ’. Dans l’exemple de la , les axes de détection adjacents sont angulairement décalés d’un même angle θ égal à 120°. Selon d’autres possibilités, le scintillateur comporte deux faces planes, perpendiculaires à un axe de détection, ce qui correspond à un décalage angulaire de 180°. Selon une autre possibilité, le scintillateur comporte quatre faces planes, telles que les axes de détection de deux faces planes adjacentes sont angulairement décalés de 90°. D’une façon plus générale, le scintillateur 11 peut comporter n faces planes 12, agencées de façon que les axes de détection respectifs de deux faces planes adjacentes sont décalés d’un angle θ égal à 360°/n.

Dans l’exemple des figures 2A et 2B, le scintillateur 11 est monobloc : la portion centrale 11’ et chaque portion de couplage 14 sont formées du même matériau scintillateur. Une telle configuration peut être obtenue par moulage lorsque le matériau scintillateur est organique. Dans l’exemple de la la portion centrale 11’ est formée d’un matériau scintillateur, tandis que chaque portion de couplage 14 est formée par d’un matériau transparent à l’égard des photons de scintillations. Chaque portion de couplage 14 est rapportée contre la portion centrale 11’. La est une vue dans un plan de coupe passant par chaque axe de détection.

La est également une vue dans un plan de coupe passant par chaque axe de détection. Sur la , la portion centrale 11’ est tronquée, de façon à former les faces planes 12. Sur cette configuration, il n’y a pas de portion de couplage 14.

Le module de mesure 10 peut comporter un détecteur spectrométrique 17. Sur la , on a représenté un détecteur spectrométrique 17, disposé en regard du détecteur scintillateur 11. Le détecteur spectrométrique est configuré pour détecter des photons X ou gamma émanant du scintillateur 11. Il est relié à un circuit de spectrométrie 17’, configuré pour former un spectre d’énergie. Plus précisément, lors de chaque détection d’un photon par le détecteur spectrométrique, ce dernier génère une impulsion dont l’amplitude est corrélée à l’énergie déposée par le photon dans le détecteur spectrométrique. Le circuit de spectrométrie 17’ permet une formation d’un spectre, qui correspond à un histogramme des amplitudes des impulsions résultant du détecteur spectrométrique 17. Le spectre correspond à un nombre d’impulsions détectées, durant une période d’acquisition, pour différents canaux d’énergie.

Le circuit de spectrométrie est relié à l’unité de traitement 40. Plus précisément, l’unité de traitement met en œuvre un algorithme d’analyse spectrale, permettant l’identification de certaines singularités. Il peut par exemple s’agir de pics résultant de la fluorescence X de certains matériaux, en particulier des matériaux métalliques, par exemple Fe, In ou Pd. Des matériaux métalliques, résultant du processus de production de l’isotope radioactif, forment des impuretés dans la solution radiopharmaceutique. L’excitation, induisant la fluorescence X, peut provenir de rayons X ou gamma émis directement ou indirectement par l’isotopes. Par exemple, lorsque l’isotope est émetteur β⁺, la fluorescence peut être induite par l’irradiation de l’échantillon par des photons résultant de l’annihilation de la particule β⁺.

Le détecteur spectrométrique peut utiliser un matériau de détection de type CeBr₃ou NaI(Tl) ou ou CsI ou CdTe. Ce type de matériau permet de former un spectre de qualité acceptable à l’aide d’un détecteur spectrométrique suffisamment compact pour être intégré dans le module de détection 10. Le détecteur spectrométrique peut être de type GeHP, sous réserve de disposer d’un moyen de refroidissement adéquat, par exemple un réservoir cryogénique ou un refroidissement thermoélectrique.

Le module de détection 10 s’étend, selon l’axe longitudinal Δ, entre une face inférieure 10_infet une face supérieure 10_sup. Compte tenu de la présence des photodétecteurs 15, pouvant être sensible à la lumière visible, le module de détection 10 est rendu étanche par le recours à un obturateur 18, sur la face inférieure 10_inffaisant face au récipient 20, et par un soufflet opaque 19, s’étendant autour du capillaire, à partir de la face supérieure 10_sup. La schématise la disposition de l’obturateur 18 et du soufflet 19 sur le module de détection. Lorsque le capillaire 3 est en position de mesure, l’obturateur est fermé. L’ouverture de l’obturateur permet une translation du capillaire de façon que l’échantillon 2 soit à l’extérieur du module de mesure, par exemple dans la position d’observation ou dans la position de prélèvement. Le soufflet opaque est configuré pour se plier ou se replier en fonction de la translation du capillaire 3.

Les inventeurs ont établi un modèle numérique afin de simuler les performances de détection d’un détecteur scintillateur tel que décrit en lien avec les figures 2A et 2B. La montre une vue en coupe du modèle numérique, dans un plan XZ, passant par l’axe central. La montre une vue en coupe du modèle numérique, dans un plan XY, perpendiculaire à l’axe central, et passant par le centre de la portion sphérique 11’.

Un tel modèle numérique est destiné à estimer l’énergie absorbée par le détecteur scintillateur lorsque ce dernier est soumis à une exposition à un rayonnement produit par un isotope prédéterminé. Sur la , on a représenté, pour une désintégration de β⁺ de¹⁸F, une densité de probabilité de libérer, dans le détecteur scintillateur, différentes valeurs d’énergie. L’axe des abscisses correspond à l’énergie, exprimée en keV. L’axe des ordonnées représente, à chaque désintégration, une probabilité de déposer, dans le détecteur scintillateur, l’énergie correspondant à l’axe des abscisses. Sur la , la courbe a) correspond à l’énergie déposée par un positron émis par¹⁸F, sans prendre en compte l’annihilation. La courbe b) correspond à l’énergie déposée par les deux photons gamma d’énergie 511 keV résultant de l’annihilation du positron. La courbe c) correspond à une probabilité de dépôt d’énergie combinant le parcours du positron dans le détecteur scintillateur ainsi que l’annihilation, donnant lieu à l’émission de photons de 511 keV. La courbe d) correspond à la courbe c) en prenant en compte un facteur d’embranchement de 97% de la désintégration β⁺pour¹⁸F.

La est une figure similaire à la , établie en considérant la désintégration β⁺de 11C, le taux d’embranchement étant de 99%.

Sur les figures 5A et 5B, les émissions de faibles énergies dues à la capture électronique ne traversent ni l’échantillon 2, ni le capillaire 3. Elles ne libèrent aucune énergie dans le détecteur scintillateur 11.

Sur les figures 5A et 5B, l’échantillon est une goutte de liquide physiologique comportant une activité unitaire de 1 Bq respectivement de¹⁸F et de¹¹C.

Les courbes d) des figures 5A et 5B correspondent à des spectres d’absorption du détecteur scintillateur, respectivement pour une activité de 1Bq de¹⁸F et¹¹C. Ces spectres d’absorption peuvent être utilisés en tant que données d’entrée pour la détermination de l’activité d’un échantillon 2, comme décrit par la suite.

Lors de la mise en œuvre du dispositif 1, l’unité de traitement 40 est reliée à chaque photodétecteur 15, et recueille un signal de détection généré par chacun d’entre eux. Plus précisément, chaque photodétecteur est relié à un circuit de détection de coïncidences 16, destiné à déterminer les impulsions détectées en coïncidence temporelle par deux photodétecteurs (coïncidences doubles) ainsi que par les trois photodétecteurs (coïncidences triples). Comme décrit dans la publication Broda R. et al « Radionuclide metrology using liquid scintillation counting », Metrologia 44 (2007), lorsqu’on utilise un échantillon, considéré comme émetteur β pur, d’activité inconnue, on peut montrer qu’un rendement de détection η, dit rendement de détection absolu, peut être déterminé à partir d’un ratio entre le nombre de coïncidences triples sur le nombre de coïncidences doubles.

Plus précisément, si correspond au nombre de coïncidences triples et correspond au nombre de coïncidences doubles, la ratio , désigné RCTD (Ratio des coïncidences triples sur doubles), est tel que :

avec

où :

est le spectre d’absorption de l’isotope considéré, qui correspond aux courbes d) des figures 5A (pour¹⁸F) et des figures 5B (pour¹¹C) ;
est le rendement quantique des photomultiplicateurs, qui n’est pas connu ;
est un rendement lumineux du matériau scintillateur, qui correspond à un nombre de photons de scintillation émis par unité d’énergie d’absorbée (photons.keV^-1) ;
est la perte d’énergie linéique d’une particule incidente (β⁺ou β^-) dans le détecteur scintillateur;
est l’énergie maximale du spectre d’émission de la particule incidente ;
est un paramètre semi-empirique, usuellement désigné paramètre de Birks, exprimé en cm. MeV^-1. Ce paramètre décrit la non linéarité du scintillateur. Il est usuellement compris entre 0.007 et 0.015 cm. MeV^-1.

Les paramètres , et sont des données d’entrée. est une donnée mesurée, résultant du circuit de détection de coïncidences 16. On peut déterminer le produit , produit du rendement quantique des photomultiplicateurs par le rendement lumineux du matériau scintillateur, de façon à obtenir le rendement de détection absolu Le rendement calculé est celui permet de vérifier l’égalité (1).

Le rendement calculé est utilisé pour déterminer un rendement de détection des coïncidences doubles, selon l’expression :

) (3)

L’activité de l’isotope est ensuite déterminée, à partir de , avec :

correspond à une somme dite logique des coïncidences doubles détectées par unité de temps. Par exemple, si l’on dispose de trois photodétecteurs 15₁, 15₂et 15₃, est tel que :

où et sont les nombre de coïncidences doubles détectées, par unité de temps, par les photodétecteurs 15₁et 15₂, 15₁et 15_3,15₂et 15₃respectivement. correspond au nombre de coïncidences triples détectées par unité de temps : L’unité de traitement 40 reçoit les grandeurs , et et du circuit de coïncidences 16. Elle peut ensuite déterminer en mettant en œuvre l’expression (1). Cela permet d’obtenir en mettant en œuvre (3), à partir de , puis l’activité par l’expression (4).

De préférence, le rendement est déterminé lors de chaque mesure, par un ratio entre le nombre de coïncidences triples sur le nombre de coïncidences doubles. Le rendement de détection des coïncidences doubles peut ainsi être déterminé, selon (3), lors de chaque mesure. On évite le recours à un étalonnage effectué en laboratoire, ce qui est un avantage notable de l’invention.

L’activité de l’échantillon 2 peut être estimée en différents instants de mesure successifs, de façon à obtenir des valeurs . L’évolution de en fonction du temps peut être confrontée à une évolution théorique, établie à partir de la période de décroissance de l’isotope considéré. Un écart entre l’évolution mesurée et l’évolution théorique peut signifier une présence d’une pollution dans l’échantillon 2.

L’activité de l’échantillon 2, mesurée à l’instant de mesure , est de préférence normalisée par le volume de l’échantillon. Cela permet une estimation de l’activité volumique ou massique de la solution radiopharmaceutique présente dans le récipient 20.

Le volume de l’échantillon peut être estimé en utilisant une image acquise par la caméra d’observation 30, tandis que l’échantillon 2 occupe la position d’observation. Compte tenu de la géométrie du capillaire, sans traitement particulier, l’échantillon s’étend entre deux ménisques, comme représenté sur la figure 6A. L’unité de traitement 40 reçoit l’image acquise par la caméra d’observation, et peut estimer un volume de l’échantillon, en appliquant par exemple l’expression :

où :

- est la longueur totale de l’échantillon ;

- est le rayon interne du capillaire ;

- est une hauteur du premier ménisque ;

- est une hauteur du deuxième ménisque.

Les grandeurs , , et sont estimées à partir de l’image. La caméra d’observation a préalablement fait l’objet d’une calibration, par exemple par l’acquisition d’une image d’une mire ou d’une règle graduée. La montre une image d’un micromètre objet Olympus OB-M. Sur la , on a représenté un profil d’intensité d’une image acquise, chaque pic correspondant à une graduation. Sur la , l’axe des ordonnées correspond à une intensité et l’axe des abscisses correspond à des pixels alignés selon la ligne claire représentée sur la . La distance entre chaque graduation étant connue, on peut estimer une dimension vue par chaque pixel de la caméra d’observation. Il est estimé que les performances de la caméra d’observation permettent d’estimer un volume de 1 µL avec une incertitude inférieure à 1%.

Selon une possibilité, la paroi interne du capillaire est hydrophobe, ou a fait l’objet d’un traitement hydrophobe. Un tel traitement permet de réduire, voire de supprimer, la présence de ménisques de part et d’autre de l’échantillon. La est une image d’un échantillon 2 dans un capillaire dont la face interne a préalablement fait l’objet d’un traitement hydrophobe. On comprend que l’estimation du volume de l’échantillon, à partir de l’image d’observation, est plus simple, car la géométrie de l’échantillon correspond à un cylindre.

Après que l’activité de l’échantillon a été déterminée, le capillaire est translaté vers la position de prélèvement et l’échantillon peut être refoulé dans le réservoir 20 en appliquant une surpression dans le capillaire.

La montre les principales étapes d’un procédé de mise en œuvre d’un dispositif tel que précédemment décrit.

Au cours d’une étape 100, le capillaire est déplacé dans la position de prélèvement et un échantillon 2 est prélevé sous l’effet de l’unité de pompage.

Au cours d’une étape 110, le capillaire est placé dans la position d’observation et une image de l’échantillon est acquise par la caméra d’observation, ce qui permet d’estimer le volume (ou la masse) de l’échantillon.

Au cours d’une étape 120, le capillaire est placé dans la position de mesure, dans le module de mesure 10. L’activité de l’échantillon est estimée à partir des signaux de détection résultant de chaque photodétecteur, et du nombre de détections en coïncidences doubles détectées. L’étape 120 peut être mise en œuvre avant l’étape 110.

Les inventeurs ont utilisé un dispositif tel que précédemment décrit, le détecteur scintillateur étant comme celui décrit en lien avec les figures 2A et 2B. Après chaque mesure, chaque échantillon a été éjecté dans une solution de scintillation liquide, de manière à obtenir une mesure de référence. L’isotope était¹⁸F ou¹¹C. Le tableau 1 résume les résultats expérimentaux obtenus.

Référence essai	Isotope	Activité volumique (Bq/mL)	Activité volumique -méthode de référence (Bq/mL)	Ecart (%)
1	¹⁸F	7.93 10⁷	8.23 10⁷	3.7%
2	¹⁸F	7.52 10⁷	7.52 10⁷	0.01%
3	¹¹C	9.54 10⁶	9.47 10⁶	0.61%

Tableau 1

Dans le tableau 1, les troisième et quatrième colonnes correspondent respectivement à l’activité volumique déterminée en mettant en œuvre l’invention et la méthode de référence. Au cours de l’essai 1, on a utilisé un capillaire sans traitement hydrophobe. Au cours de l’essai 2, le capillaire avait fait l’objet d’un traitement hydrophobe, ce qui peut expliquer le plus faible écart entre la mise en œuvre de l’invention et la méthode de référence.

Le dispositif objet de l’invention permet d’effectuer une estimation de l’activité d’un liquide radioactif sans nécessiter d’étalonnage complexe, faisant intervenir un laboratoire de référence. En effet, la mesure est effectuée sur un échantillon de faible volume, prélevé d’une solution radiopharmaceutique. L’activité est estimée sur la base de mesures de coïncidences doubles, comme précédemment décrit, le rendement de détection pouvant être calculé par un ratio de coïncidences triples sur coïncidences doubles.

Le dispositif objet de l’invention est facilement automatisable, ce qui permet de limiter l’intervention d’opérateurs à proximité du liquide radioactif. En effet, la translation du capillaire, la commande de l’unité de pompage et celle du module de mesure peut être automatisée. Cela contribue à diminuer la dosimétrie du personnel intervenant.

Claims

Dispositif (1) destiné à mesurer l’activité d’un liquide radioactif (2), comportant :
un module de détection (10), s’étendant autour d’une chambre de mesure (3), destinée à contenir le liquide, le module de détection étant configuré pour détecter un rayonnement ionisant émis dans la chambre de mesure et pour émettre un signal de détection dépendant d’une quantité de rayonnement détecté ;

une unité de traitement (40), reliée au module de détection, et programmée pour estimer une activité du liquide radioactif à partir du signal de détection ;
le dispositif étant caractérisé en ce que
le module de détection comporte :

un détecteur scintillateur (11), solide, configuré pour produire des photons de scintillation lorsqu’il est exposé au rayonnement ionisant, le détecteur scintillateur s’étendant autour de la chambre de mesure ;

au moins deux photodétecteurs (15), optiquement couplés au détecteur scintillateur, chaque photodétecteur étant configuré pour détecter des photons de scintillation et générer un signal de détection dépendant de la quantité de photons de scintillation détectés;

le dispositif comporte un capillaire (3), s’étendant autour d’un axe longitudinal (Δ), et délimitant un espace interne destiné à contenir le liquide radioactif, le capillaire étant agencé pour être disposé dans une position de mesure, dans laquelle le détecteur scintillateur s’étend autour de l’espace interne du capillaire, le capillaire formant la chambre de mesure.
Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le détecteur scintillateur s’étend autour du capillaire.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le détecteur scintillateur forme une paroi du capillaire.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
une ouverture (13), est pratiquée à travers le détecteur scintillateur (11), le long de l’axe longitudinal (Δ);

le capillaire s’étend à travers l’ouverture lorsqu’il est disposé dans la position de mesure.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque photodétecteur s’étend autour d’un axe de détection (δ₁, δ₂, δ₃), sécant de l’axe longitudinal.
Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les axes de détection respectifs de chaque photodétecteur sont coplanaires.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6 dans lequel les axes de détection respectifs (δ₁, δ₂, δ₃) de chaque photodétecteur (15) sont régulièrement espacés angulairement les uns des autres, autour de l’axe longitudinal.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel le détecteur scintillateur (11) comporte une portion centrale sphérique ou cylindrique ou polyédrique (11’), traversée par l’ouverture (13).
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque photodétecteur (15) est optiquement couplé au détecteur scintillateur (11) par une face plane (12).
Dispositif selon la revendication 9 et la revendication 8, dans lequel le détecteur scintillateur s’étend, à partir de l’ouverture, jusqu’à au moins une face plane (12), de façon que le détecteur scintillateur comporte la portion centrale (11’), autour de l’ouverture, et au moins une face plane.
Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le détecteur scintillateur (11) comporte autant de faces planes (12) que de photodétecteurs.
Dispositif selon la revendication 9, comportant un matériau transparent aux photons de scintillation, s’étendant entre le détecteur scintillateur et au moins une face plane.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un détecteur spectrométrique (17), s’étendant face au capillaire, et relié à l’unité de traitement (40).
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une unité de translation motorisée (4), configurée pour déplacer, en translation, le capillaire, selon l’axe longitudinal, de façon que le capillaire peut passer entre la position de mesure, face au détecteur scintillateur, à au moins une position de prélèvement, la position de prélèvement étant décalée, selon l’axe longitudinal, par rapport à la position de mesure.
Dispositif selon la revendication 14, comportant une unité de pompage (21), configurée pour :
admettre, dans la position de prélèvement, le liquide dans l’espace interne du capillaire lorsque le capillaire est en contact avec une solution contenue dans un réservoir, le liquide contenu dans le capillaire constituant un échantillon de ladite solution ;

et/ou refouler le liquide de l’espace interne du capillaire.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capillaire comporte une face interne, délimitant l’espace interne, la face interne étant hydrophobe.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel
le signal de détection résultant de chaque photodétecteur comporte des impulsions, chaque impulsion résultant d’une interaction d’une particule, formant le rayonnement ionisant, dans le détecteur scintillateur ;

l’unité de traitement comporte un circuit de détection de coïncidences (16), configuré pour détecter des impulsions détectées en coïncidence temporelle par au moins deux photodétecteurs ;

l’unité de traitement (40) est programmée pour estimer l’activité en fonction d’une quantité d’impulsions détectées en coïncidence temporelle.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une caméra d’observation (30), agencée pour visualiser le capillaire lorsque le capillaire occupe une position d’observation, décalée de la position de mesure, l’unité de traitement étant programmée pour estimer un volume de liquide dans le capillaire en fonction d’une image fournie par la caméra d’observation.
Procédé d’estimation d’une activité d’un liquide à l’aide d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant les étapes suivantes
introduction d’un échantillon liquide (2) dans le capillaire (3) ;

disposition du capillaire dans la position de mesure ;

acquisition de signaux de détection par chaque photodétecteur (15) ;

en fonction des signaux de détection acquis, estimation de l’activité de l’échantillon liquide, présent dans le capillaire, à l’aide de l’unité de traitement.
Procédé selon la revendication 19, dans lequel le dispositif est un dispositif selon la revendication 14, et dans lequel :
lors de l’étape a), le capillaire occupe une position de prélèvement, au contact d’un réservoir comportant le liquide ;

entre l’étape a) et l’étape b), le capillaire est déplacé par l’unité de translation de la position de prélèvement vers la position de mesure.
Procédé selon la revendication 20, dans lequel
le dispositif est un dispositif selon la revendication 15 ;

lors de l’étape a), l’unité de pompage est activée, de façon à aspirer une partie du liquide, présente dans le réservoir, vers le capillaire.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 19 à 21, dans lequel l’étape d) comporte :
détection, dans les signaux de détection, d’impulsions émises en coïncidence temporelle, par deux photodétecteurs, dites coïncidences doubles ;

prise en compte d’un rendement de détection relatif aux coïncidences doubles ( );

détermination de l’activité à partir d’un nombre de coïncidences doubles détectées par unité de temps et du rendement de détection relatif aux coïncidences doubles.
Procédé selon la revendication 22, dans lequel
le dispositif comporte trois photodétecteurs

le rendement de détection relatif aux coïncidences doubles est calculé à partir d’un ratio entre

un nombre d’impulsions émises, dans les signaux de détection, en coïncidence temporelle, par trois photodétecteurs, dites coïncidences triples ;

le nombre de coïncidences doubles.