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Thématique
Physique nucléaire appliquée au médical.
Contexte
L’actinium-225 est un radionucléide utilisé en radiothérapie interne vectorisée par émetteurs alpha. L’imagerie des photons gamma émis par ses descendants, notamment à 218 et 440 keV, permet d’étudier leur distribution au sein du patient et contribue à l’estimation des doses absorbées par les lésions ciblées et les tissus sains. Les très faibles activités mises en jeu nécessitent des systèmes conciliant efficacité de détection et précision de localisation.
Dans une caméra Compton à deux étages, un événement exploitable peut correspondre à une première diffusion Compton dans un détecteur, appelé diffuseur, suivie du dépôt de toute l’énergie restante du photon dans un second détecteur, appelé absorbeur. Les énergies mesurées permettent de calculer l’angle de diffusion par la cinématique Compton. Les positions des premières interactions dans le diffuseur et dans l’absorbeur définissent, quant à elles, la direction du photon entre les deux détecteurs, et donc l’axe du cône de reconstruction. Chaque événement contraint ainsi les positions possibles de la source à la surface d’un cône, dont le sommet est le premier point d’interaction dans le diffuseur et dont le demi-angle d’ouverture est l’angle de diffusion. La combinaison d’un grand nombre de ces cônes permet de reconstruire la distribution spatiale des sources.
La précision des positions utilisées est donc déterminante. En particulier, le photon peut subir plusieurs diffusions Compton dans l’absorbeur avant son absorption finale. Si ces dépôts ne sont pas distingués, la position reconstruite peut correspondre à une position moyenne, différente du premier point d’interaction dans l’absorbeur. L’axe du cône est alors mal estimé, même lorsque toute l’énergie du photon est correctement mesurée. Cette erreur peut élargir la distribution de l’ARM (Angular Resolution Measure), défini comme l’écart entre l’angle déduit des énergies et l’angle géométrique attendu pour une source connue. Elle peut également accentuer les queues de cette distribution et dégrader l’image reconstruite. L’enjeu est ainsi de retrouver la première position d’interaction pertinente dans chaque détecteur, et notamment dans l’absorbeur lorsque plusieurs interactions s’y succèdent.
La caméra MACACO III repose sur des scintillateurs monolithiques couplés à des matrices de photomultiplicateurs au silicium (SiPM). La position d’interaction est estimée à partir de la distribution de lumière collectée par la matrice de SiPM. En présence de plusieurs dépôts, la superposition de leurs signaux lumineux ne permet pas, à elle seule, d’identifier sans ambiguïté la position de la première interaction. Une architecture pixellisée pourrait apporter une information complémentaire en distinguant les dépôts d’énergie associés aux interactions successives dans différents éléments du détecteur. Il reste cependant à déterminer si cette pixellisation facilite effectivement l’identification de la première interaction et si le bénéfice obtenu compense les éventuelles pertes de détection et la complexité de lecture associée.
Ce stage propose d’évaluer cette alternative pour l’imagerie de l’actinium-225. Le lien entre pixellisation, résolution en énergie, information spatiale et classification des interactions sera étudié afin de comparer les performances d’une caméra pixellisée à celles d’une architecture monolithique de référence de type MACACO III.
Ce stage s’inscrit dans le cadre du projet européen AIDER. Il contribuera à l’étude de solutions de détection et de reconstruction adaptées à l’imagerie de l’actinium-225, afin de mieux caractériser les possibilités et les limites des architectures pixellisées pour cette application. Les simulations seront réalisées avec GATE 10 (https://github.com/OpenGATE/opengate) au sein de l’équipe TOMORADIO de CREATIS, qui dispose d’une solide expertise dans l’utilisation de cet outil pour la simulation en physique médicale.
Description du travail demandé
L’objectif principal du stage est d’évaluer dans quelles conditions la pixellisation de détecteurs facilite l’identification du premier site d’interaction et améliore le compromis entre résolution angulaire, efficacité de détection et simplicité électronique. Le travail s’appuiera principalement sur des simulations Monte Carlo et l’analyse des événements détectés. Les tâches prévues incluent :
- Étude bibliographique et définition de la comparaison : appropriation du principe de l’imagerie Compton et des caractéristiques de MACACO III, puis définition de configurations pixellisées comparables. L’influence de la pixellisation sera d’abord étudiée dans des configurations proches du système monolithique de référence.
- Modélisation et analyse de l’information disponible : simulation des interactions de photons de 218 et 440 keV pour différentes configurations de pixellisation et différents types de détecteurs (scintillateurs ou semi-conducteurs). Les événements comportant un ou plusieurs dépôts d’énergie seront analysés afin de déterminer les informations accessibles à partir des signaux du détecteur.
- Identification de la première interaction : formulation du problème de classification et développement de méthodes permettant d’associer les signaux mesurés à la position de la première interaction. Des critères physiques simples seront étudiés en premier lieu ; des méthodes de classification plus élaborées, notamment par apprentissage profond, pourront être envisagées selon les besoins. Les performances seront évaluées à partir de l’historique des interactions fourni par la simulation, en distinguant les événements correctement classés, mal classés et rejetés comme ambigus.
- Évaluation comparative des performances : reconstruction des cônes Compton à partir des positions et des énergies attribuées aux interactions après classification, puis comparaison avec la référence monolithique. L’étude portera sur la distribution de l’ARM, notamment sa largeur, son biais et ses queues, ainsi que sur l’efficacité de détection utile, définie comme la fraction des photons émis conduisant à un événement exploitable. La simplicité électronique sera évaluée à travers le nombre de voies et la nature des informations nécessaires à la mesure et à la classification. L’effet sur les images reconstruites pourra compléter cette évaluation.
Le stage devra permettre d’identifier les conditions dans lesquelles une architecture pixellisée pourrait présenter un avantage par rapport à une architecture monolithique de type MACACO III. Une attention particulière sera portée au compromis entre amélioration de l’ARM, fraction d’événements conservés et complexité instrumentale.
Localisation
Centre Léon Bérard, Lyon — CREATIS, équipe TOMORADIO
Compétences recherchées
- Formation en physique nucléaire appliquée à la médecine.
- Une expérience avec Geant4/GATE10 serait appréciée.
- Une expérience en développement de détecteurs serait appréciée.
- Pratique de Python pour la simulation et l’analyse de données.
- Une connaissance de TensorFlow ou de PyTorch constituerait un atout.
Candidature
Les personnes intéressées sont invitées à envoyer les documents suivants aux contacts ci-dessous :
- CV ;
- lettre de motivation ;
- dernier relevé de notes.
Maxime JACQUET : maxime.jacquet@creatis.insa-lyon.fr
Zaina HURANI : zaina.hurani@creatis.insa-lyon.fr
David SARRUT : david.sarrut@creatis.insa-lyon.fr
Ane ETXEBESTE : ane.etxebeste@creatis.insa-lyon.fr
Gratification
4,50 € par heure, soit environ 693 € par mois.
Références
[1] System characterization and performance studies with MACACO III Compton camera, Radiation Physics and Chemistry, 208 (2023), 110922. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2023.110922
[2] S. Liprandi et al., Compton Camera Arrangement With a Monolithic LaBr3(Ce) Scintillator and Pixelated GAGG Detector for Medical Imaging, IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences, 7 (2023), 764–774. https://doi.org/10.1109/TRPMS.2023.3282838
[3] B. Das et al., Compton Imaging of Ac-225 in Preclinical Phantoms With a 3D-Positioning CZT Camera, IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences, 10 (2026), 112–125, publication en ligne en 2025. https://doi.org/10.1109/TRPMS.2025.3577212