Rayons X à contraste élevé

Des chercheurs suisses ont démontré l'utilité d'une nouvelle technique d'imagerie par rayons X à haute résolution qui révèle des structures fines invisibles à l'aide de techniques conventionnelles. L'imagerie par rayons X en fond noir peut être utilisée pour générer des images très détaillées des os et pour distinguer les substances qui semblent identiques sur les images radiographiques conventionnelles, telles que les explosifs et le fromage. Les chercheurs étudient maintenant si leur approche pourrait également augmenter la résolution des techniques d'imagerie médicale telles que les mammographies et les tomodensitogrammes (CT).

Ailes chaudes: Une nouvelle technique d'imagerie par rayons X (en bas) repose sur des informations sur la façon dont un échantillon diffuse le rayonnement, fournissant une image plus contrastée des os dans une aile de poulet que l'imagerie par rayons X conventionnelle (en haut). L'imagerie par rayons X conventionnelle repose sur des informations sur la façon dont l'aile absorbe le rayonnement.

Franz Pfeiffer , professeur assistant de physique à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suisse, qui a développé la nouvelle technique, compare des images radiographiques conventionnelles avec des ombres. De telles images reposent sur des informations sur la quantité de rayonnement absorbée lors de son passage à travers un échantillon, tel que le membre d'un patient. Mais des interactions plus complexes se produisent, explique Pfeiffer, et plus on peut glaner d'informations sur ces interactions, meilleur est le contraste des images. L'imagerie sur fond noir mesure la manière dont un échantillon diffuse la lumière.

Ces gars-là montrent que vous pouvez faire des choses avec des rayons X qui n'étaient pensés qu'optiquement [avec la lumière visible], dit Richard Lanza , chercheur principal au département des sciences et de l'ingénierie nucléaires du MIT.

Auparavant, des chercheurs, dont Pfeiffer, avaient démontré l'imagerie en champ sombre en utilisant un grand et coûteux accélérateur de particules appelé synchrotron comme source de rayons X. Les synchrotrons fournissent des faisceaux de rayons X très brillants et finement focalisés. Une source aussi puissante était nécessaire car l'optique à cristal inefficace utilisée pour focaliser les rayons X sur l'échantillon ne pouvait gérer qu'un spectre étroit de longueurs d'onde.

Pour remplacer l'optique à cristal inefficace, Pfeiffer a développé des filtres en silicium qui fonctionnent avec le spectre complet des rayons générés par les tubes à rayons X conventionnels de faible puissance. Ces filtres sont des disques plats de silicium gravés de fentes de 20 micromètres de long, dont certaines sont remplies d'or. Pour générer des images de diffusion, ces grilles sont placées entre la source de rayons X et l'échantillon, et entre l'échantillon et le détecteur.

Les petites structures comme les microfissures apparaissent bien sur ces images car elles diffusent beaucoup de rayonnement, explique Pfeiffer. Cela suggère que les images pourraient être utiles pour détecter l'ostéoporose ou pour trouver des défauts dans des structures mécaniques telles que des turbines.

Les bords et les limites sont plus clairs dans les images en fond noir, dit Elizabeth Brainerd , un biologiste évolutionniste de l'Université Brown, qui utilise les rayons X pour étudier la biomécanique des os. (Voir Capturer l'évolution en courant.) Il peut être difficile de distinguer les petits os et les articulations sur les radiographies conventionnelles. Brainerd convient que les images en fond noir pourraient être utiles pour détecter les petites fractures et les éperons osseux chez les patients, et elle est enthousiasmée par la possibilité d'étendre la technique de Pfeiffer aux tomodensitogrammes tridimensionnels.

L'approche de Pfeiffer pourrait également être utilisée pour améliorer les systèmes de sécurité. Les imageurs à rayons X conventionnels comme ceux des points de contrôle de sécurité des aéroports ne peuvent pas faire la différence entre de nombreux types de matériaux différents - par exemple, le chocolat et le fromage semblent identiques à certains explosifs. Mais le fromage et les explosifs diffusent les rayons X différemment, donc dans les images en fond noir de Pfeiffer, les différences entre les deux matériaux sont apparentes.

Pfeiffer a déjà commencé à faire des tomodensitogrammes avec des tubes à rayons X conventionnels en utilisant une autre technique d'amélioration du contraste qu'il a développée il y a deux ans, appelée contraste de phase. Il dit qu'il travaille actuellement à l'intégration de réseaux pour l'imagerie en champ sombre dans les appareils de tomodensitométrie conventionnels. Il collabore également avec des chercheurs du Centre d'imagerie biomédicale , un institut dirigé par l'Université de Lausanne et l'Université de Genève, afin de déterminer si l'imagerie par rayons X en fond noir peut être utilisée pour distinguer les tissus sains des tissus cancéreux. Les cancers n'absorbent pas les rayons X de manière très différente de celle des tissus sains, de sorte que les systèmes à rayons X qui reposent sur d'autres propriétés, telles que la diffusion, pourraient permettre de meilleures mammographies, par exemple. Le groupe de Lanza au MIT travaille également au développement de meilleurs tomodensitomètres de détection du cancer qui utilisent une combinaison d'absorption et de réfraction pour le contraste et s'appuient également sur des réseaux nanofabriqués. (Voir Modification de la physique derrière l'imagerie par rayons X.)

L'imagerie sur fond noir est utilisée depuis plus de 20 ans pour améliorer le contraste et la résolution dans les microscopes optiques conventionnels. Mais appliquer les techniques d'amélioration du contraste qui fonctionnent bien avec la lumière visible aux rayons X a pris beaucoup de temps, explique Pfeiffer. Un tel système n'est possible que maintenant grâce aux progrès de la photolithographie et à de nombreuses années de recherche scientifique fondamentale utilisant des synchrotrons, dit-il.

Pfeiffer envisage que les futurs systèmes d'imagerie par rayons X seront comme les microscopes optiques d'aujourd'hui : ils intégreront de nombreux systèmes complémentaires pour améliorer le contraste - absorption, réfraction, diffusion - et les médecins et les chercheurs pourront utiliser la combinaison qui fonctionne le mieux pour un sujet donné. goûter.

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