Service instrumentation

Cédric ESNAULT : AI CNRS

Le service instrumentation est une structure multi-compétences qui est organisée de façon à privilégier les collaborations avec d’autres services techniques des laboratoires de l’IN2P3. Ce type de fonctionnement permet de piloter les projets en valorisant des développements de hautes technologies prévus initialement pour la physique des particules. En retour, ces services bénéficient de nos études spécifiques ou d’un potentiel de caractérisation et d’évaluation de leurs réalisations. Ce service s’implique dans la quasi-totalité des projets d’imagerie de l’UMR.

PIXSIC : (Pixellated Sonde IntraCérébrale) : développement d’une sonde radio-sensible pixellisée en matériau semi-conducteur ; conception d’un ensemble détecteur et circuit intégré associé (mise en forme des signaux et codage) et d’un circuit de petite taille comportant l’alimentation de l’électronique et un système de pilotage du circuit intégré et de transmission de données sans fil. Ce projet a été réalisé en collaboration avec le CPPM (Marseille), ce dernier avait la charge du développement de la sonde et du circuit intégré associé (PICPUS) (figure 1). Cet ensemble est piloté par une électronique à base de microcontrôleur, qui comporte également les alimentations à partir de piles boutons et un module de communication Radiofréquence. L'électronique, au format d’une clé USB, a été conçue afin d’interfacer l’ordinateur avec le système décrit ci-dessus (figure 2).

Nous avons pris en charge l’encapsulation de l’électronique couplée à la sonde. Nous avons conçu un moule permettant la fabrication de 2 demi-coquilles enclipsables (pièce noire sur la figure 1). Avant montage, celles-ci sont recouvertes de peinture métallique afin d’assurer un blindage.

Deux sondes multi pixels sont implantées, 2 faisceaux de fils relient les modules implantés au sac à dos qui contient le module de pilotage. Les mesures sont transmises à l’ordinateur, qui visualise sous forme de graphes le comptage de la radioactivité à proximité des 10 pixels de chacune des 2 sondes au cours du temps.

Ce système a montré ses limites lors des évaluations biologiques réalisées au CERMEP (Lyon). Un nouveau projet a vu le jour afin d’y remédier : MAPSIC à base d’une sonde CMOS, ce qui permet d’intégrer l’électronique de traitement. Ce projet est mené en collaboration avec l’IPHC (Strasbourg) et le CPPM (Marseille), 2 laboratoires de l’IN2P3.

TReCam : (Tumor Resection CAMera) : Ce projet consistait en la réalisation d’une gamma-caméra portable utilisée pour guider les chirurgiens lors de l’extraction de pièces cancéreuses du sein. Le principe repose sur l’utilisation d’un collimateur à trous parallèles afin de sélectionner la direction des particules gamma, suivi d’un scintillateur pour convertir ces gammas en photons visibles, puis un photomultiplicateur multi anodes (PMMA) afin d’amplifier et de repérer les photons détectés. Afin de lire les 256 anodes (pixels), nous avons développé une électronique en utilisant 4 circuits intégrés, créés par le pôle de microélectronique OMEGA (LAL), Hardroc2. La figure 3 montre l’empilement des 5 cartes.

Cet ensemble contient également un convertisseur DC/DC générant la tension de 1000V nécessaire au fonctionnement du PMMA et une liaison USB pour l’échange des données.

Dans le service, nous avons conçu une enveloppe mécanique incluant un blindage en plomb supplémentaire autour du scintillateur, l’ensemble a été réalisé en sous-traitance (figure 4).

- La carte supérieure contient 16 matrices de SiPM de 2x2 pixels ,la taille d’un pixel est 3x3 mm² (figure 6 ). La seconde carte permet le traitement des signaux des détecteurs. Elle est constituée de deux  circuits intégrés conçus par le pole OMEGA (LAL) EASIROC directement connectés sur le circuit imprimé (bounding) et associés à 2 convertisseurs analogique-numérique ().

La dernière carte munie d’un fpga et d’un module USB permet l’échange de donnée avec un ordinateur et la gestion des 2 puces.

MAGICS :
Nouvelle génération de gamma-caméra portable utilisée pour guider les chirurgiens lors de l’extraction de pièces cancéreuses du sein destinée à remplacer TRECAM.
Ce prototype découle de l’étude SIPMED citée précédemment, intégrant 4 des modules conçus lors de ce projet. Cette caméra est plus compacte que la génération précédente car la partie photo-détection est de l’ordre de 5mm d’épaisseur, 10 fois moins que pour TRECAM.

Ce prototype a été testé par le Laboratoire National d’Essais (LNE) afin de vérifier sa conformité, en termes de sécurité, aux normes appliquées aux dispositifs électro-médicaux. La rédaction d’un protocole clinique est en cours afin de l’évaluer dans le domaine hospitalier.

SONIM, TRIOP :

Deux autres projets découlent de l’étude faite autour des SiPM dont l’objectif est de concevoir des imageurs capables de détecter des positrons. Deux imageurs ont été imaginés dans le cadre des pathologies du cancer cérébrale, leur partie radiosensible doit être introduite dans la plaie opératoire afin d’être au contact des tissus.

1/ TRIOP
Ce dispositif comporte 7 fibres optiques dont les extrémités, insérées dans la plaie, sont radiosensibles. La lumière créée dans cette zone est conduite vers les photo-détecteurs par la partie claire de la fibre (une par photo-détecteur).  La figure 9 montre le circuit imprimé supportant le SiPM.

Le prototype final montré en figure 10 comporte une partie dédiée à la création de lumière et à son cheminement insérée dans la partie conique et une partie photo-détection inclue dans le boitier aluminium (en gris sur la figure).

2/ SONIM
C’est un imageur planaire de  surface sensible de 3 cm². L’électronique (figure 11) a été conçue et réalisée dans le service électronique du LAL(IN2P3), dérivée de celle étudiée dans le cadre du projet SIPMED.

Nous avons conçu l’encapsulation du système afin qu’il soit d’une maniabilité aisée. Comme le montre la figure 12, l’électronique est insérée dans le manche, un tube dans le prolongement maintient la partie radiosensible.

Ces deux appareils prendront le chemin du Laboratoire National d’Essais, à l’image des autres dispositifs développés pour le médical.

MEVO : (Multimodal Endomicroscopy with Varifocal Optic) :

Dans le domaine de l’imagerie préclinique appliquée à la recherche sur les tumeurs cérébrales de type glioblastomes, nous avons débuté l’étude d’un endomicroscope permettant l’analyse in situ des tissus cancéreux pour leur discrimination et classification. L’analyse se fera suite aux mesures de la fluorescence sous excitation 2 photons,  du signal de seconde harmonique, de la spectroscopie de fluorescence et du temps de vie de fluorescence.
Le service a pris en charge la conception d’un scanner qui permet d’illuminer le tissu d’une zone suspecte de l’ordre de 400 µm de diamètre, et de récupérer les photons issus de la fluorescence des tissus. Afin de créer un balayage de la zone nous utilisons une fibre optique double cœur, insérée dans un tube piézo-électrique. La vibration de ce tube se transmet à la fibre qui décrit un mouvement spiral (figure 13).

Ce projet comporte une partie génération des signaux d’excitation du tube piézo-électrique, une autre concerne la mesure et l’acquisition des signaux issus des 4 modalités décrites ci-dessus.