Loignon_Houle_Francis_MSc_2016.pdf (10.60Mb)

Université de Sherbrooke
Optimisation de l’extraction de lumière de scintillation dans les matrices
de détecteurs pixellisés pour des applications en tomographie d’émission
par positrons (TEP) et en tomodensitométrie (TDM)
Par
Francis Loignon-Houle
Programme de Sciences des radiations et imagerie biomédicale
Mémoire présenté à la Faculté de médecine et des sciences de la santé
en vue de l’obtention du grade de maître ès sciences (M. Sc.)
en Sciences des radiations et imagerie biomédicale
Sherbrooke, Québec, Canada
Décembre, 2016
Membres du jury d’évaluation
Roger Lecomte, Sciences des radiations et imagerie biomédicale
Serge Charlebois, Département de génie électrique et de génie informatique
M’hamed Bentourkia, Sciences des radiations et imagerie biomédicale
Réjean Fontaine, Département de génie électrique et de génie informatique
©Francis Loignon-Houle, 2016

À Marie et mes parents,
pour leur présence et leur support

We live in a society exquisitely dependent
on science and technology, in which hardly
anyone knows anything about science and
technology.
—Carl Sagan

RÉSUMÉ
Optimisation de l’extraction de lumière de scintillation dans les matrices
de détecteurs pixellisés pour des applications en tomographie d’émission
par positrons (TEP) et en tomodensitométrie (TDM)
Par
Francis Loignon-Houle
Programme de Sciences des radiations et imagerie biomédicale
Mémoire présenté à la Faculté de médecine et des sciences de la santé en vue de
l’obtention du diplôme de maître ès sciences (M. Sc.) en Sciences des radiations et
imagerie biomédicale, Faculté de médecine et des sciences de la santé, Université de
Sherbrooke, Sherbrooke, Québec, Canada, J1H 5N4
Les performances de détecteurs à scintillation, composés d’un cristal scintillateur
couplé à un photodétecteur, dépendent de façon critique de l’efficacité de la collecte
et de l’extraction des photons de scintillation du cristal vers le capteur. Dans les
systèmes d’imagerie hautement pixellisés (e.g. TEP, TDM), les scintillateurs doivent
être arrangés en matrices compactes avec des facteurs de forme défavorables pour
le transport des photons, au détriment des performances du détecteur. Le but du
projet est d’optimiser les performances de ces détecteurs pixels par l’identification
des sources de pertes de lumière liées aux caractéristiques spectrales, spatiales et
angulaires des photons de scintillation incidents sur les faces des scintillateurs. De
telles informations acquises par simulation Monte Carlo permettent une pondération
adéquate pour l’évaluation de gains atteignables par des méthodes de structuration
du scintillateur visant à une extraction de lumière améliorée vers le photodétecteur.
Un plan factoriel a permis d’évaluer la magnitude de paramètres affectant la col-
lecte de lumière, notamment l’absorption des matériaux adhésifs assurant l’intégrité
matricielle des cristaux ainsi que la performance optique de réflecteurs, tous deux
ayant un impact considérable sur le rendement lumineux. D’ailleurs, un réflecteur
abondamment utilisé en raison de ses performances optiques exceptionnelles a été
caractérisé dans des conditions davantage réalistes par rapport à une immersion dans
l’air, où sa réflectivité est toujours rapportée. Une importante perte de réflectivité
lorsqu’il est inséré au sein de matrices de scintillateurs a été mise en évidence par
simulations puis confirmée expérimentalement. Ceci explique donc les hauts taux de
diaphonie observés en plus d’ouvrir la voie à des méthodes d’assemblage en matrices
limitant ou tirant profit, selon les applications, de cette transparence insoupçonnée.
Mots-clés: TEP, TDM, scintillateur, propagation de lumière, extraction de lumière.