L'imagerie par rayon X et une des techniques d'imagerie médicale les plus utilisées, notamment pour détecter les fractures et pour l'orthodontie. Pour observer les tissus mous (foie, pancréas, rein...), on fait plutôt appel à l'imagerie par résonance magnétiqueimagerie par résonance magnétique (IRM) ou l'échographie. Des chercheurs japonais de l'université de Tohoku au Japon, viennent pourtant de découvrir un moyen d'utiliser les rayons Xrayons X pour mesurer la viscoélasticité de matériaux peu denses. La technique, détaillée dans le journal Applied Physics Express, fait appel à l'élastographie dynamique.

L’élastographie dynamique : détecter les tumeurs et les organes pathologiques

L'élastographie dynamique est une technique additionnelle d'imagerie médicale servant à mesurer l'élasticitéélasticité des tissus. Elle consiste à faire « vibrer » un tissu avec une onde de cisaillement, ou onde de compression, puis à mesurer sa vitessevitesse de propagation par ultrasons ou grâce à l'imagerie par résonance magnétique. Plus le tissu est dur, plus l'onde va se propager rapidement. L'élastographie est aujourd'hui surtout utilisée en hépatologie et en oncologie. Lorsqu'un organe est pathologiquepathologique, il présente souvent une duretédureté différente d'un organe normal. Par exemple, chez un patient atteint d'hépatitehépatite virale ou alcoolique, le foie est fibreuxfibreux, composé de tissu cicatriciel au niveau de la zone lésée. De même, une tumeurtumeur est généralement plus dure que les tissus environnants. L'élastographie est un outil complémentaire de la palpation et permet d'éviter des biopsiesbiopsies parfois invasives.

Schéma de fonctionnement de l’élastographie à rayons X. L’objet (phantom) est mis en vibration avec une onde acoustique, puis un rayonnement mesure la vitesse de déplacement des particules en vibration, enregistrée sous forme d’image 2D par un détecteur. © Chika Kamezawa et al., Appl. Phys. Express, 2020

Classiquement, l'élastographie est associée à l'échographie ou à l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Malheureusement, les ondes de cisaillement sont rapidement atténuées dans les basses fréquences, ce qui limite l'exploration à de faibles profondeurs. De plus, le temps d'exposition nécessaire est relativement long et surtout, l'image obtenue est de faible résolutionrésolution, de l'ordre du millimètre. D'où l'idée d'utiliser des rayons X, offrant une résolution bien supérieure, de l'ordre du micromètremicromètre.

Cartographie des modules en gel polyacrylamide sans inclusion (modules a et b) ou avec une inclusion légèrement plus dure (modules c et d). © Chika Kamezawa et al., Appl. Phys. Express, 2020

Une résolution de l’ordre du micromètre

Pour tester leur méthode d'élastographie aux rayons X, Wataru Yashiro et ses collègues ont fabriqué des blocs de gelsgels en polyacrylamide, dont l'un avec une inclusion plus dure à l'intérieur. Ils ont ensuite fait vibrer les blocs de gels avec des ondes acoustiques puis les ont bombardés de rayons X stroboscopiques en cohérence de phase. L'image obtenue offre ainsi une résolution spatiale de 75 µm, contre un millimètre environ pour les autres types d'élastographie. « Notre approche permet de détecter des lésions pathologiques beaucoup plus profondes et de petite taille », se félicite Wataru Yashiro. « C'est particulièrement important pour les patients car les petites lésions sont souvent celles apparues récemment. On peut donc avoir un diagnosticdiagnostic précoce de la maladie ».

Au-delà du diagnostic médical, les chercheurs envisagent de nombreuses applicationsapplications pour l'imagerie à cohérence de phase par rayons X. Elle pourrait par exemple être utilisée comme « microscopemicroscope » dynamique pour obtenir des cartes de déplacement d'objets, ou encore mesurer la déformation de matériaux viscoélastiques.

Rayons X : bientôt des radiographies ultra-précises ?

Article de CNRS publié le 30/03/2017

Les instruments d'analyse par rayons X, par exemple pour les radiographiesradiographies, 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 thérapiesthérapies de haute précision.

Le rayonnement X permet de scruter la matièrematière, 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 endoscopiesendoscopies. 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 matériaumatériau luminescent (un scintillateur) qui, lui-même, émet alors des photonsphotons de lumièrelumière 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 volumesvolumes 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 optiquefibre 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 polymèrepolymère. Par-dessus cette structure, ils ont greffé un fragment minuscule de scintillateur, puis ont recouvert le tout d'une fine couche de métalmétal 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 énergieénergie (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'absorptionabsorption des rayons X et l'émissionémission 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 nanomètresnanomètres. 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.