Les radiographies, qui utilisent des instruments d'analyse par rayons X, peuvent être améliorées en résolution. © Minerva Studio, Fotolia

Santé

Rayons X : bientôt des radiographies ultra-précises ?

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CNRS

Les instruments d'analyse par rayons X, par exemple pour les radiographies, sont limités en résolution. Pourtant, il est possible de faire beaucoup mieux, comme le montrent des chercheurs du CNRS, de l'université de Franche-Comté et d'Aix-Marseille université, ouvrant la voie à des images médicales et des thérapies de haute précision.

  • Les détecteurs de rayons X, utilisés en médecine et ailleurs, n'offrent qu'une faible résolution spatiale, du fait de la dispersion initiale du rayonnement.
  • Ce nouveau dispositif focalise les photons émis par le scintillateur à l'aide d'une antenne optique. Le flux de lumière recueilli par le détecteur est alors beaucoup plus puissant, et l'image obtenue d'autant meilleure.
  • Le procédé est un prototype fonctionnel qu'il sera possible d'industrialiser.

Le rayonnement X permet de scruter la matière, que ce soit pour des applications médicales ou pour contrôler des pièces industrielles. Cependant, les détecteurs de rayons X sont encombrants, ce qui limite leur usage médical, spécialement pour des endoscopies. Les scientifiques cherchent donc à les miniaturiser, ce qui est loin d'être évident. En effet, la détection est indirecte : les rayons X sont d'abord absorbés par un matériau luminescent (un scintillateur) qui, lui-même, émet alors des photons de lumière visible, détectés par une caméra ou un photodétecteur. Or, à petite échelle, un scintillateur n'émet que très peu de photons, et dans toutes les directions : difficile pour une caméra de détecter le faible flux qui parvient jusqu'à elle !

Des chercheurs ont pourtant trouvé une solution, fondée sur l'utilisation d'une antenne optique qui redirige et canalise les photons émis par un scintillateur miniature. Ce dispositif ultra-compact rend possible la détection de rayonnements X dans des volumes de seulement quelques micromètres cubes. Inventé par une équipe du laboratoire Femto-ST (CNRS/université de Franche-Comté/UTBM/ENSMM) en collaboration avec des chercheurs du CiNaM (CNRS/AMU) et de l'Institut Utinam (CNRS/université de Franche-Comté), il est construit sur une fibre optique de quelques dizaines de micromètres de diamètre. Ces résultats ont été publiés le 28 mars 2017 dans la revue Optics Letters.

Schéma du dispositif. Le rayonnement bleu représente les rayons X ; la sphère verte intense et brillante correspond au fragment de scintillateur ; les étincelles à l'intérieur du corps de l'antenne optique symbolisent l'émission de photons par l'agrégat luminescent sous l'effet des rayons X. Grâce à l'antenne optique, cette émission de lumière est fortement dirigée vers une fibre optique monomode très étroite. © Miguel Angel Suarez, FEMTO-ST (CNRS, université de Franche-Comté, UTMB, ENSMM)

Un microscintillateur à bas coût qui aurait de multiples applications

À une extrémité de la fibre, les chercheurs ont fait croître une micro-pointe de polymère. Par-dessus cette structure, ils ont greffé un fragment minuscule de scintillateur, puis ont recouvert le tout d'une fine couche de métal afin de finaliser l'antenne optique dont le rôle est de canaliser la lumière, comme le font les antennes cornets pour les micro-ondes. Quand le fragment de scintillateur reçoit des rayons X, il émet alors de la lumière que l'antenne redirige vers la fibre. Il ne reste plus qu'à placer un détecteur de lumière à l'autre extrémité de la fibre. L'idée était d'aboutir à un dispositif industrialisable : la réalisation de l'antenne optique sur la fibre par photopolymérisation, tout comme le greffage du scintillateur, sont des procédés qui permettraient de produire en série et à bas coût.

La démonstration a été effectuée avec des rayons X de basse énergie (10 keV). Pour envisager des applications médicales, l'équipe veut maintenant passer le cap des hautes énergies : quelques dizaines de keV pour la radioscopie, et plusieurs centaines de keV pour des applications thérapeutiques. À plus long terme, les chercheurs ont d'autres idées. Ainsi, les antennes optiques pourraient permettre de réduire le délai entre l'absorption des rayons X et l'émission de lumière par le scintillateur, et déboucher sur des détecteurs de rayons X beaucoup plus rapides.

Par ailleurs, alors que sa résolution spatiale est aujourd'hui de l'ordre du micromètre, de nouvelles procédures permettraient de descendre jusqu'à 100 nanomètres. Une perspective serait d'utiliser le détecteur comme une sonde de microscopie à balayage, pour analyser localement, par exemple, la composition chimique de matériaux composites.

Ces travaux ont été financés par le Labex Action et un projet a été déposé à l'ANR par l'équipe de recherche afin d'explorer ces nouvelles voies scientifiques et applicatives.

Le vol du bourdon aux rayons X  Pour étudier les muscles du vol chez les insectes, un bourdon a été filmé avec une caméra rapide. Pendant ce temps, des rayons X dévoilaient les mouvements moléculaires ayant cours dans les cellules musculaires. © Hiroyuki Iwamoto, Naoto Yagi, 2013, Science