Radiographie spectrale à comptage de photons · HR-GaAs:CrScience
Depuis des décennies, la radiographie numérique repose sur le couple scintillateur et photodétecteur. Cette méthode a atteint les limites physiques de résolution spatiale, de contraste et temporelle. Plus de 10 milliards d’euros ont été dépensés en 25 à 30 ans pour trouver une issue. La réponse de Zeelta : un capteur HR-GaAs:Cr à conversion directe qui compte les photons et mesure leur énergie.
01 · La limite
Pourquoi les détecteurs à scintillateur ne peuvent pas voir plus
Dans un scintillateur, un quantum X absorbé produit un éclair lumineux qui se diffuse dans toutes les directions. Seule une partie atteint les photodétecteurs, et plusieurs cellules s’allument à la fois. Les événements voisins se confondent en un seul. Le détecteur ne peut ni localiser précisément l’événement ni mesurer l’énergie du quantum. Son efficacité quantique de détection (DQE) est d’environ 35 à 40 %.
Trois pistes ont été étudiées. Les systèmes bi-énergie à deux expositions n’ont pas apporté d’information diagnostique significative. Le traitement mathématique a amélioré l’aide à la décision, mais ne peut aller plus loin sans davantage de données. La voie prometteuse est une nouvelle base de détection : des capteurs semi-conducteurs monolithiques à conversion directe comme a-Se, CdTe, CdZnTe et GaAs:Cr.
02 · Conversion directe
Comptage de photons avec HR-GaAs:Cr
Dans un capteur semi-conducteur monolithique, un quantum X crée une quantité de charge proportionnelle à son énergie. Sous la tension de polarisation, les charges migrent en sens opposés et sont collectées sur une seule électrode de pixel. Un ASIC de lecture amplifie l’impulsion, la compare à des seuils d’énergie et la compte.
- La position de chaque événement est définie sans ambiguïté ; la résolution spatiale suit le pas de pixel, dès 35 µm
- La charge donne l’énergie du quantum : la dispersion en énergie, l’équivalent de la vision des couleurs
- Deux événements proches et simultanés sont enregistrés séparément
- DQE supérieure à 90 % : le mode de comptage quantique devient possible
03 · Comparaison
Scintillateur + Si face à HR-GaAs:Cr
| Résolution spatiale | Spectral (couleur) | Résolution en densité | |
|---|---|---|---|
| Scintillateur + Si | Pas de pixel de 110 µm au mieux ; résolution réelle à partir de 330 µm | Impossible. Les méthodes bi-énergie exigent des expositions répétées ou deux sources | 256 niveaux de gris en radiographie courante, 512 en mammographie experte, 4 960 en scanner 64 coupes |
| HR-GaAs:Cr | Pas de pixel dès 35 µm ; résolution réelle conforme à la topologie du capteur | Mesure l’énergie des quanta assez précisément pour une analyse élémentaire qualitative et quantitative | Environ 4 000 niveaux de gris, indépendamment pour chaque gamme d’énergie |
| L’un peut-il remplacer l’autre ? | En partie | Non : l’imagerie spectrale est hors de portée des systèmes à scintillateur | Non : une échelle de gris propre à chaque canal d’énergie est hors de portée des systèmes à scintillateur |
04 · Matériaux
Le paysage technologique
Capteurs semi-conducteurs monolithiques adaptés aux ASIC de lecture canal par canal :
| Matériau | Points forts | Limites |
|---|---|---|
| Silicium (Si) | Très bon marché | Efficace seulement à très basse énergie, inutilisée en médecine ; dégradation rapide sous rayonnement |
| Sélénium amorphe (a-Se) | Premier matériau à permettre le comptage quantique | Exige une stabilisation thermique et un panneau horizontal ; absent des systèmes réels |
| CdTe, CdZnTe (CZT) | Haute efficacité de 10 à 120 keV, robuste | Environ 293 USD le gramme ; panneaux jusqu’à 84,5 × 28,16 mm |
| HR-GaAs:Cr | DQE supérieure à 95 % à 40 keV et d’environ 75 % à 120 keV ; jusqu’à 70 °C ; résistance aux rayonnements jusqu’à 10 GGy | Environ 7,2 USD le gramme ; panneaux plats de plus de 430 × 430 mm |
05 · Résultats
Ce que montre la radiographie spectrale
06 · Médecine
De nouvelles méthodes de diagnostic
La radiographie spectrale permet un diagnostic fonctionnel, au-delà des images anatomiques. Axes de recherche pour lesquels nous cherchons des partenaires cliniques :
- Dosimétrie vitale en temps réel (VDRT)
- Un nouveau système de tomographie à faisceau conique (CBCT)
- Imagerie X et évaluation du corps vitré de l’œil
- Essais précliniques et recherche commune avec des équipes médicales