Étude et conception d’un imageur β à très haute résolution spatiale

Utilisation de l’imagerie β

Principe d’imagerie : Afin de répondre à la problématique posée par l’imagerie médicale fonctionnelle il est intéressant d’en comprendre les enjeux sous-jacents. La visualisation et le suivi de la répartition d’un médicament dans un organisme implique de pouvoir détecter la présence de très faibles concentrations (10−9 mol/L) au sein d’organes ou de cellules. Pour cela, on a très souvent recours à des marqueurs dit chauds. Ces marqueurs sont en fait des sondes radioactives attachées à la molécule à imager soit par des ligands soit par simple substitution d’un atome par son homologue radioactif. L’attachement ne change en rien les propriétés chimiques de la molécule car tous les isotopes radioactifs d’un atome possèdent les mêmes propriétés chimiques. L’imagerie fonctionnelle est donc une imagerie nucléaire destinée à cartographier, en deux ou trois dimensions, les lieux des désintégrations radioactives. La distinction avec l’imagerie anatomique se fait à cet endroit. En effet, seul les organes ayant fixé le radiopharmaceutique sont visibles. Cela donne alors accès à une multitude d’informations sur les propriétés biologiques de cette molécule. On peut ainsi étudier la biodistribution dans l’organisme, la vectorisation ou la réponse d’un ou plusieurs organes en étudiant les concentrations associées. L’autoradiographie s’explique par le fait que ce n’est pas une source de rayonnement extérieure qui permet de réaliser l’imagerie comme une radiographie classique avec un tube à rayons X, mais bien la présence, au sein de l’organisme, de radioactivité. Ce phénomène d’autoradiographie a été découvert en 1867 par Niepce de St. Victor et postérieurement réévalué par Becquerel en 1896 avec la découverte de la radioactivité. Le tout premier autoradiogramme biologique a été effectué en 1904 par London. Une grenouille immergée dans une eau au Radium est placée sur un film photographique . Ce dernier est alors imprégné par l’interaction de la radioactivité α du radium et la révélation traduit la présence de radioactivité. A l’époque, cette essai démontra alors la possibilité de fixer des atomes radioactifs au sein d’un organisme. Cependant la radioactivité α est contraignante. Elle suppose en effet d’attacher des noyaux émetteurs α (noyau lourd du type uranium, plutonium ou radium) à des molécules. Aujourd’hui encore, cet attachement est problématique et difficile à réaliser. L’objectif de l’autoradiographie est d’obtenir des images, bien résolues et en deux dimensions, de la répartition de la radioactivité. Le choix se porte alors sur l’utilisation de rayonnements β. Tous les atomes possédant leurs pendants radioactifs émetteur β+ ou β−, il existe alors de nombreux isotopes susceptibles d’être utilisés. Du fait de leur faible parcours dans la matière et de leur large existence, ils possèdent une potentialité inégalée dans le domaine de l’autoradiographie. Une contrainte cependant apparait rapidement : la grande gamme d’énergie des émetteurs. Elle s’étale en effet de zéro à quelques MeV et chaque émetteur possède un spectre en énergie continu.

Les domaines d’application de l’autoradiographie β

La réceptologie : La réceptologie est l’étude de la fixation des molécules sur les organes ou sur les cellules. Elle sert également à réaliser une cartographie des récepteurs. Elle est réalisée in-vivo. Les études se portent largement sur le fonctionnement du cerveau avec l’utilisation des analogues fluorés de la sérotonine ou de la cocaïne. L’injection se fait sur différents spécimens à des concentrations différentes afin de déterminer la concentration fixée par l’organe. Cette dernière permet de déterminer la constante d’affinité de l’organe à la molécule.
L’hybridation in-situ : L’hybridation in situ d’ADN (HIS), est une technique qui permet de mettre en évidence et de localiser, dans des cellules ou des tissus, des séquences d’acides nucléiques connues. Utilisée en médecine associée à la réalisation d’un caryotype, elle permet par exemple la recherche de microdélétions (perte d’une partie d’un chromosome) caractéristiques du syndrome de Williams ou du syndrome de Jacobsen. Cette méthode repose sur la particularité de la molécule d’ADN de pouvoir se dénaturer (c’est-à-dire de pouvoir séparer ses deux hélices), et sur la complémentarité des bases azotées qui tend à reconstituer une hélice complète. La présence de molécules, simple brin d’ADN ou d’ARN connues, dans un bain de molécules d’ADN dénaturé favorisera l’attachement de cette dernière à une séquence complémentaire. L’hybridation in-situ est réalisée directement sur coupe histologique de tissu. Les sondes les plus souvent utilisées sont des
brins d’ADN dénaturés, d’ARN-messager ou des oligonucléotides synthétiques marqués au 3H, 32P ou 35S pour une révélation par autoradiographie.
La biodistribution (QWBA) : La biodistribution ou QWBA (Quantitative Whole Body Autoradiography) est une technique très répandue dans les laboratoires, l’industrie chimique ou pharmaceutique. Elle permet en effet de mesurer en deux dimensions la distribution d’une molécule dans tout un organisme. La biodistribution se fait généralement sur tranche de rat entière. Elle permet de quantifier la radioactivité fixée par un organe et de comparer les affinités de différents organes à une même substance. La quantification se fait généralement sur trois animaux à des temps différents.

Problématiques associées à l’imagerie β

L’intérêt des pharmacologues, médecins ou biologistes à l’utilisation de l’autoradiographie β est l’obtention, dans un temps relativement court, d’une image précise et bien quantifiée de la répartition de la radioactivité dans un organisme entier pour la biodistribution ou dans un organe pour la réceptologie ou l’hybridation in-situ. L’utilisation d’une large palette de radioéléments émetteurs β permet, aujourd’hui, de réaliser des autoradiographies de quasiment toutes les molécules ou médicaments existants. Les biologistes peuvent également remonter à l’activité volumique en trois dimensions en superposant les différentes images de coupes obtenues. Ces attentes conduisent à imposer un cahier des charges précis des contraintes technologiques pour le développement des appareils d’imagerie. Ils doivent alors combiner : une grande surface d’analyse (plusieurs dizaines de centimètres carrés), une bonne résolution spatiale (typiquement inférieure à 200 µm pour les émetteurs de haute énergie et inférieure à 50 µm pour le 3H), une réponse homogène en tout point de l’image sans zones mortes, une linéarité de la réponse sur plusieurs ordres de grandeur (au minimum cinq ordres de grandeur), la détection d’émetteur de très basse énergie comme le tritium (rayonnement β de 18 keV) ou de très haute énergie comme le 32P (rayonnement β de 1710 keV soit deux ordres de grandeur par rapport au 3H), une bonne sensibilité. L’étape de quantification est également critique et problématique. Elle nécessite en effet une conversion analogique-numérique pour les autoradiographies sur film ou écran phosphore bien maîtrisées ou un étalonnage précis des autoradiographies numériques. On a souvent recours à des gammes de radioactivité étalonnées sous forme de goutte de sang qui sont autoradiographiées en même temps.

Les microgrilles et espaceurs isolants

Les microgrilles sont les pièces maîtresses des détecteurs gazeux à microstructures de type MICROMEGAS. Elles permettent de créer des étages possédant des propriétés différentes. Le fait qu’elles soient très fines (5 µm) leur confère des avantages et des inconvénients. Leur finesse leur permet des transitions de champ électrique très rapides entre deux étages . Le champ de consigne dans l’espace de dérive de plusieurs millimètres est de Edcons = 1 kV/cm. Dans l’espace d’amplification de 125 µm, le champ de consigne y est de Eacons = 30 kV/cm. Un ajustement permet de voir que le champ retrouve 73% de sa valeur sur environ 7 µm. Cette transition étant très rapide, les lignes de champ forment un entonnoir focalisant les électrons au centre des trous dans la configuration du passage d’un champ faible à un champ fort. Lors de la transition d’un champ fort vers un champ faible, cette configuration en entonnoir est inversée et les lignes de champ bouclent sur la grille ce qui rend défavorable le franchissement des électrons. Nous examinerons ces deux configurations dans la section traitant du franchissement des microgrilles.
Malgré ces indéniables qualités, la finesse des grilles est contraignante. Une manipulation minutieuse est de rigueur entraînant un montage des microgrilles délicat mais cependant maîtrisé. Leur finesse leur confère également une certaine souplesse qui se traduit par des déformations lors de l’application de champs électriques importants. Cette déformation des microgrilles est un paramètre à prendre en considération lors de la conception de leurs supports mécaniques ainsi que pour le choix de la tension mécanique appliquée au montage.

Electronique de déclenchement

L’électronique de déclenchement sert à activer l’acquisition des cartes ADC lorsqu’un événement se produit. Le déplacement des charges issues d’une avalanche induit un signal sur l’anode et sur la microgrille de signe opposé. Le signal produit sur la microgrille est lu par un pré-amplificateur de charge (modèle ORTEC 142IH). Le signal sortant du pré-amplificateur est ensuite injecté dans un amplificateur puis dans un discriminateur à fraction constante (CFD). Ce discriminateur crée une porte électronique si le signal dépasse le seuil fixé. Cette dernière est ensuite envoyée dans un générateur de portes réglables (Dual Timer) afin de générer en temps voulu le signal Track and Hold déclenchant la chaîne d’acquisition. A cause du temps de montée des GASSIPLEX, ce signal doit être envoyé à la carte MUX précisément 1.2 µs plus tard que l’événement physique. La chaîne électronique de déclenchement doit donc être précisément réglée temporellement afin de collecter le maximum de charge sur les pistes. Pendant la phase de lecture des données, la carte MUX génère un signal VETO qui est injecté dans la chaîne de déclenchement. Lorsque ce signal est présent, l’électronique de déclenchement cesse d’envoyer des informations de déclenchement. En fin d’acquisition, le VETO est levé.

Table des matières

Introduction
1 L’autoradiographie β
1.1 Utilisation de l’imagerie β
1.1.1 Principe d’imagerie
1.1.2 Evolution de la technique
1.1.3 Les domaines d’application de l’autoradiographie β
1.1.4 Les isotopes utilisés
1.2 Problématiques associées à l’imagerie β
1.3 Les dispositifs existants
1.3.1 Les films et émulsions
1.3.2 Les imageurs à écrans photostimulables .
1.3.3 Radio-imageur à fibres optiques scintillantes
1.3.4 Imageurs à semi-conducteur
1.3.5 Imageurs basés sur des MCP (galette à microcanaux)
1.3.6 Les détecteurs gazeux
1.3.7 Film scintillant couplé à une caméra CCD : le µ-imagerTM
1.4 Les premiers développements d’un dispositif d’autoradiographie au laboratoire Subatech
1.5 Conclusion
2 Le détecteur PIM (Parallel Ionization Multiplier)
2.1 Présentation générale
2.2 Les microgrilles et espaceurs isolants
2.2.1 Le montage des grilles
2.2.2 Les espaceurs isolants
2.2.3 Mesure de déformation par Interférométrie électronique de Speckle (ESPI)
2.3 Etude des processus physiques dans le détecteur PIM
2.3.1 Interaction des électrons avec le milieu
2.3.2 Transport des charges dans un gaz
2.3.3 Mécanisme d’amplification
2.3.4 Illustration de la réduction de l’effet de parallaxe par la simulation
2.3.5 Le franchissement des microgrilles
2.3.6 Induction du signal sur l’anode
2.3.7 Le plancher de lecture
2.3.8 Simulation de la structure complète du détecteur
2.4 Conclusion
3 Configuration PIM appliquée à l’imagerie β basse énergie
3.1 Description du prototype
3.1.1 Le montage
3.1.2 Les échantillons de référence
3.1.3 Les échantillons biologiques
3.2 La chaîne de lecture et d’acquisition
3.2.1 Electronique frontale
3.2.2 Electronique de déclenchement
3.2.3 Le logiciel βDAQ
3.3 Mesure de bruit sur l’anode
3.3.1 Description du procédé
3.3.2 Distribution du bruit sur l’anode
3.3.3 Les défauts du plancher
3.4 Mesure du gain
3.5 Résultats
3.5.1 Algorithme de reconstruction d’image
3.5.2 Etude quantitative de la résolution
3.5.3 Homogénéité de la réponse du détecteur
3.5.4 Géométrie des amas de charge
3.5.5 Double marquage 3H/14C
3.5.6 Echantillon biologique
3.6 Conclusion
4 Un imageur β pour de nouvelles recherches
4.1 Etude de la faisabilité d’imager des émetteurs de haute énergie
4.1.1 Interaction des électrons de haute énergie dans le gaz
4.1.2 Le suivi de la particule β
4.1.3 La méthode de reconstruction par extrapolation géométrique
4.1.4 Observation de signaux issus de 14C avec le microimageur
4.2 Simulation du détecteur
4.2.1 Résultats attendus en configuration basse énergie
4.2.2 Résultats attendus en configuration haute énergie
4.2.3 Vers une séparation des contributions
4.3 Conception du prototype Haute Energie – Grande Surface
4.3.1 Objectifs du détecteur
4.3.2 Le circuit de gaz
4.3.3 Description du prototype
4.3.4 La chaîne électronique de déclenchement
4.4 Résultats
4.4.1 Le programme de reconstruction
4.4.2 Mesures de bruit
4.4.3 Images obtenues en configuration basse énergie
4.4.4 Etude de la répartition de la charge
4.5 Conclusion
Conclusion
Bibliographie