Des rayons X domptés par un minicapteur

La mise au point d’un capteur de quelques micromètres pour la détection de rayons X ouvre la voie à des applications médicales prometteuses, dans le champ de l’analyse comme dans celui de la thérapie.

Tout le monde connaît bien sûr les rayons X et leurs applications médicales : utilisés en imagerie, ils révèlent les fractures osseuses, et en thérapie, ils luttent contre les tumeurs cancéreuses. La lecture des informations données par les rayons X se fait en deux temps : les rayons sont absorbés par un scintillateur, un matériau luminescent de la famille des phosphores, qui en retour émet de la lumière, alors captée par une caméra. Si les photons servent parfaitement la reconstitution de l’image de l’os, en radiothérapie il est encore impossible de mesurer précisément et en temps réel la dose de rayonnement X appliquée à une tumeur pour la soigner. Dans tous les cas, l’équipement nécessaire à la détection de rayons X représente un encombrement important. La miniaturisation permettrait des avancées importantes en thérapie, avec la possibilité de développer un dosimètre à rayons X pouvant être positionné au contact direct d’une tumeur par le biais de techniques endoscopiques. Cela nécessiterait de coupler le scintillateur à une fibre optique pour récupérer le signal lumineux induit par l’irradiation, et de l’acheminer vers un détecteur optique placé en dehors du corps humain. Le problème majeur s’opposant à ce dessein est que la lumière émise par un scintillateur de petite dimension, faible et spatialement dispersée, est difficile à capter par une fibre optique.

Des antennes optiques à la base du dispositif

Des chercheurs en optique de l’Institut FEMTO-ST ont réussi à faire sauter ce verrou technologique, avec la mise au point d’un capteur de rayons X miniature. De longues années d’expérience dans le domaine des antennes optiques ont présidé à l’invention du dispositif par Thierry Grosjean, chercheur CNRS à FEMTO-ST, et son équipe, en collaboration avec des collègues de l’Institut UTINAM et du CINaM (Centre interdisciplinaire de nanoscience de Marseille). Le système de détection, ultra-compact, est composé d’une fibre optique de 125 µm de diamètre, à l’extrémité de laquelle un fragment de scintillateur de quelques microns absorbe les rayons X et les transforme en lumière ; les photons sont récupérés par une antenne optique qui les dirige à l’intérieur de la fibre. Ainsi canalisés, les photons sont facilement repérés par un simple détecteur de lumière placé à l’autre extrémité de la fibre. Le principe a été démontré et validé avec des rayons X de basses énergies. Pour entrer véritablement dans le domaine médical, les chercheurs ont désormais à faire passer au dispositif le cap des hautes énergies. Or une montée en énergie signifie que les rayons X traversent les éléments de façon beaucoup plus intense. « Ils sont donc moins absorbés par le scintillateur, ce qui signifie que l’ensemble du système de détection doit être plus sensible encore », précise Thierry Grosjean.

La mise au point du capteur miniature et la preuve de concept ont fait l’objet d’un financement du LabEx ACTION, et un projet vient d’être soumis à l’ANR pour amener les recherches vers la voie applicative voulue. Utiliser des rayons X de haute énergie, augmenter la sensibilité et la rapidité de détection du dispositif sont les défis majeurs inscrits au futur programme de recherche. Les travaux de Thierry Grosjean et de son équipe ont été remarqués par l’OSA (Optical Society) aux États-Unis et par le CNRS, sur la base de la publication d’un article dans la revue scientifique de référence Optics Letters en mars dernier.