Technologie
Varian : une société pionnière dans le domaine
Au début des années 1990, les chercheurs du Ginzton Technology Center de Varian entreprirent un vaste projet de développement dont l'objectif était de fusionner plusieurs nouvelles technologies combinant vitesse, qualité d'images, compacité et facilité d'utilisation. En 1998, Varian devint la première et seule société au monde à proposer des systèmes à panneau plat en silicone amorphe prenant en charge l'imagerie numérique radioscopique et fluoroscopique. Par la suite, la société Varian n'a cessé d'affiner et d'optimiser ses produits et ses compétences en termes de technologie de récepteur d'imagerie à panneau plat en temps réel. Varian compte plus de 20 000 récepteurs installés dans différents domaines du secteur de l'imagerie médicale et industrielle.
Systèmes d'imagerie à rayons X en temps réel
La gamme PaxScan™ de Varian propose des produits aux compétences inégalées : détecteurs à panneau en silicone amorphe, matériaux de conversion des rayonnements, composants électroniques numériques à haute vitesse et analogiques à faibles interférences, composants électroniques de traitement et de commande ASIC personnalisés, ou encore conditionnement peu encombrant. Chaque jour, de nouveaux matériaux, processus, circuits et techniques sont découverts et promettent des nombreuses avancées en termes de performances et de polyvalence. Et bien évidemment, ils viennent se greffer à notre technologie d'imagerie. Actuellement, notre technologie comprend les éléments suivants :
Écran tactile en silicone amorphe
Le panneau d'un détecteur a pour but d'accumuler la charge générée par l'absorption des rayons X et de la transmettre ligne par ligne au cours de l'exploration aux amplificateurs de charge. Le dispositif de stockage de la charge correspond soit à un condensateur dans les imageurs à photoconducteurs, soit à une photodiode dans les panneaux utilisés conjointement à des scintillateurs. Le commutateur permettant de libérer la charge peut être une diode unique, une paire de diodes ou encore un transistor TFT. Ces dispositifs de stockage peuvent être associés diversement. Toutefois, ces associations présentent chacune des avantages et des inconvénients spécifiques. Les produits Varian associent TFT et photodiodes en raison de leur simplicité d'utilisation, de leur disponibilité sur le marché et de la flexibilité de leur conception.
Photomicrographie d'un détecteur à panneau en silicone amorphe
Dans le schéma présenté ci-contre, le commutateur est un transistor TFT, semblable aux commutateurs utilisés dans les écrans à cristaux liquides et à matrice active. En ce qui concerne la conception du panneau, l'un des principaux objectifs est d'élargir au maximum la surface de l'imageur que la photodiode peut prendre en compte (facteur de remplissage total), afin que la quantité de lumière perdue soit minime. Les signaux sont transmis par de fines lignes métalliques. Pour cet écran tactile, la distance centre-à-centre des pixels est de 127 microns et le facteur de remplissage est de 35 %. Actuellement, les produits Varian disposent de panneaux d'un facteur de remplissage plus élevé.
Schéma électrique d'un panneau en silicone amorphe
En fonctionnement, la polarité des photodiodes est inversée en raison de la tension externe qui leur est appliquée. Lorsque les commutateurs TFT sont désactivés, la charge générée par la lumière du scintillateur s'accumule sur les diodes. Lorsqu'une lecture doit être effectuée, une ligne est alimentée afin d'activer les commutateurs qui y sont associés. La charge accumulée dans les photodiodes de cette ligne est libérée sur toutes les lignes de données, de façon simultanée. Dans les réseaux de grande envergure, des milliers de signaux sont émis et doivent être lus simultanément. À cette fin, Varian a conçu un dispositif personnalisé à 128 canaux et à faibles interférences, disposant d'une capacité de charge élevée, pour prendre en charge la large plage dynamique des détecteurs à panneau en silicone amorphe.
Méthodes de conversion des rayons X
Lorsqu'une lecture électronique est nécessaire, les rayons X entrants peuvent être convertis en charge selon trois méthodes différentes. Ces méthodes s'appliquent au silicone amorphe. Il s'agit des méthodes « intrinsèque », « par photoconducteur » et « par scintillateur ». Elles présentent chacune des avantages et des inconvénients différents. Elles présentent des restrictions spécifiques en termes d'utilisation dans les imageurs à rayons X pratiques. Dans les trois méthodes, la charge est accumulée pendant un certain temps avant de pouvoir être lue. À l'inverse, les gamma-caméras dénombrent chaque photon d'un rayon X à son arrivée. Cette technique n'est généralement pas utilisée dans le cadre de l'imagerie par rayons X étant donné que la fréquence d'arrivée des photons est bien trop élevée pour permettre un dénombrement fiable.
Méthode « intrinsèque »
Les rayons X entrants sont capturés par la diode à silicone amorphe dans laquelle des paires électron-trou sont générées. Un biais est appliqué afin d'isoler la charge et d'empêcher la recréation de la combinaison. Étant donné qu'environ 5 électrons-volts d'énergie de rayons X sont nécessaires pour générer une paire, les signaux sont élevés. Malheureusement, l'absorption des rayons X par le silicone est très faible. La photodiode doit donc mesure 10 à 20 mm d'épaisseur. Les dispositifs à silicone amorphe de ce type sont impossibles à fabriquer. Les dispositifs intrinsèques sont constitués de silicone cristallin, mais seuls des réseaux d'une ou deux lignes sont réalisables tout en restant très onéreux.
Méthode « par photoconducteur »
Les matériaux photoconducteurs absorbent mieux les rayons X que le silicone. Ils peuvent être recouverts d'un revêtement sur un réseau de plaques conductrices d'accumulation de la charge, qui disposent chacune d'un condensateur de stockage. Dans ce cas également, des paires électron-trou sont générées lors de l'absorption des rayons X. Toutefois, la charge peut être stockée en dehors de la couche pour éviter toute diaphonie latérale. Ainsi, le champ appliqué permet non seulement d'isoler la charge, mais également de la rediriger directement vers la plaque d'accumulation inférieure pour maintenir le degré de précision de l'image. Actuellement, le seul photoconducteur fabriqué est le sélénium. Son taux d'absorption des rayons X est relativement faible et il faut environ 50 électrons-volts pour produire une paire électron-trou. Cela limite donc la dose minimum nécessaire ainsi que l'amplitude du signal généré. D'autres matériaux présentant des exigences moindres en termes de consommation d'énergie et absorbant mieux les rayons X sont actuellement en cours d'élaboration.
Méthode « par scintillateur »
Un scintillateur est un composant qui absorbe les rayons X et convertit l'énergie en lumière visible. Un scintillateur efficace produit des photons de lumière pour chaque photon de rayon X entrant. En général, 20 à 50 photons visibles sont produits pour 1 kV d'énergie de rayons X entrants. Les scintillateurs sont généralement constitués d'éléments à numéro atomique élevé, qui absorbent bien les rayons X, ainsi que d'un activateur à faible concentration permettant des transitions par bande directes afin de faciliter l'émission de photons visibles. Les scintillateurs peuvent être granulaires, comme le phosphore, ou cristallins, comme l'iodure de césium.
Structure d'un scintillateur phosphore
Les phosphores sont des matériaux qui rayonnent lorsqu'ils sont exposés aux rayons X. Pour une luminosité maximale, les phosphores utilisés dans l'imagerie à rayons X sont constitués d'oxysulfures de terres rares associés à d'autres terres rares. L'association la plus courante est celle des oxysulfures de gadolinium et de lanthane avec du terbium. Elle permet de produire une lumière variant du bleu au vert, qui correspond à la sensibilité du film. Des tailles de grains et des mélanges chimiques variés sont utilisés pour produire des résolutions et des degrés de luminosité différents. En pratique, ils sont intégrés à un liant à base de colle et ensuite enduits sur des feuilles plastiques. Ils sont destinés par la suite à être appliqués sur le film à rayons X pour améliorer la sensibilité, mais ils peuvent être également appliqués sur des réseaux de photodiodes à silicone amorphe pour que la sensibilité des détecteurs à rayons X électroniques soit au moins équivalente à celle du film. Pour produire un photon visible dans un écran phosphore, des dizaines d'électrons-volts sont nécessaires. L'absorption des rayons X est bonne. La dispersion de la lumière peut poser problème si les couches doivent être suffisamment épaisses pour stopper les rayons X dont l'énergie est plus élevée.
Structure d'un scintillateur à iodure de césium
Pour une meilleure association résolution/luminosité, utilisez de l'iodure de césium (CsI). La CsI a une propriété particulièrement utile : lorsqu'elle augmente, elle tisse un réseau de fines aiguilles (10 à 20 micromètres de diamètre) dans des conditions d'évaporation appropriées. Cela permet de créer des cristaux, qui fonctionnent ensuite comme des « conduits de lumière » pour les photons visibles générés près de l'entrée d'une couche. Il est donc possible d'utiliser des couches très épaisses (jusqu'à 1 mm) pour conserver une résolution optimale. Étant donné que le numéro atomique du césium est élevé, il absorbe très bien les rayons X et utilise très efficacement les rayons X entrants. Environ 20-25 électrons-volts sont nécessaires pour générer un photon de lumière. Associée à du thallium, la CsI émet à environ 550 nm, juste au point de crête de la sensibilité spectrale du silicone amorphe. L'association CsI/silicone amorphe a le rendement quantique différentiel le plus élevé de tous les matériaux actuellement fabriqués.
Systèmes d'imagerie à rayons X en temps réel
Auparavant, l'imagerie à rayons X en temps réel (fluoroscopie ou radioscopie) était généralement pratiquée à l'aide d'une caméra de télévision associée à un dispositif spécifique permettant de convertir les rayons X entrants en lumière visible par la caméra. Jusqu'à récemment, les caméras à tubes d'images étaient couramment utilisées. À présent, les nouveaux systèmes utilisent des modèles CCD de façon presque exclusive. Les CCD (et autres dispositifs d'imagerie à semi-conducteurs associés) présentent des avantages par rapport aux tubes d'images en termes de stabilité, précision de la géométrie, uniformité de signal et taille, mais tous ces avantages sont réduits presque à néant lorsque la fonctionnalité de conversion des rayons X est ajoutée. Les imageurs à écran tactile incluent ces avantages ainsi que d'autres atouts qui leur sont propres. Les illustrations ci-dessous en expliquent la raison.
 | CCD avec intensificateur d'images à rayons X Cette combinaison permet une imagerie en temps réel avec des flux de rayons X faibles pour des surfaces relativement conséquentes. Les risques de distorsion de la géométrie et d'image rémanente sont élevés. Étant donné qu'en termes de gain l'intensificateur dépend de l'accélération des électrons, il est sensible aux champs magnétiques externes et nécessite une tension élevée. |
 | CCD couplé à un objectif Étant donné que le rendement optique de l'objectif est extrêmement faible, un flux élevé ou une caméra dotée d'un intensificateur est nécessaire pour un fonctionnement en temps réel. Le miroir déplace la caméra à partir du faisceau de rayons X principal. Il est aussi simple de changer le champ de vision ou la bande d'énergie que de changer l'écran du convertisseur. |
 | CCD avec réducteur à fibre optique Cette combinaison fournit une solution simple pour les zones de petite envergure. La géométrie et l'uniformité sont bonnes. Différents écrans permettent de s'adapter à des bandes d'énergie variées. Pour les niveaux d'énergie plus élevés, un réducteur à angle droit peut s'avérer nécessaire pour déplacer la caméra du faisceau principal. |
 | Imageur à écran tactile La simplicité de cet imageur évite la plupart des problèmes rencontrés avec d'autres types d'imageurs. La plage dynamique, le contraste et la géométrie sont améliorés. Vous avez la possibilité de sélectionner le convertisseur de votre choix. Pour les niveaux d'énergie plus élevés, seuls les composants d'exploration et de lecture doivent être positionnés hors du faisceau principal. |
Imagerie numérique : Technologie : Imagerie en temps réel
| Imageurs à panneau plat | CCD à couplage optique | CCD à fibre optique | CCD à intensificateur d'images à rayons X | |
|---|---|---|---|---|
| Surface prise en charge | Grande | Grande | Petite | Moyenne |
| Sensibilité | Élevée | Faible | Moyenne | Élevée |
| Plage dynamique | Élevée | Moyenne | Moyenne | Moyenne |
| Contraste | Élevée | Moyenne | Moyenne | Faible |
| Précision de la géométrie | Très élevée | Moyenne | Moyenne | Faible |
| Stabilité | Élevée | Élevée | Élevée | Moyenne |
| Résistance au rayonnement | Très élevée | Élevée (avec miroir) | Moyenne | Moyenne |
| Nombre de pixels par image | Élevé - Très élevé | Faible - Élevé | Faible - Élevé | Faible - Élevé |
| Résistance aux champs magnétiques | Très élevée | Très élevée | Très élevée | Très faible |
| Compacité | Élevée | Faible | Moyenne | Faible |
| Fonctionnement à basse tension | Oui | Oui | Oui | Non |
| Zoom électronique | Oui | Rare | Rare | Oui |
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Tel: 801.972.5000
Fax: 801.973.5050
E-Mail: xray.info@varian.com
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