Une équipe multidisciplinaire de la KAUST élabore des matériaux de scintillation inédits pour l’imagerie par rayons X. Ces matériaux s’illuminent ou « scintillent » en réaction aux rayons X qui les traversent, créant des images qui dévoilent les détails recherchés de l’échantillon examiné.
Des chercheurs du monde entier s’efforcent constamment de découvrir de nouveaux scintillateurs offrant une sensibilité accrue à moindre coût et avec des méthodes de fabrication simplifiées.
Les alternatives les plus prometteuses ont souvent présenté des problèmes de stabilité qui limitent leur potentiel commercial, en particulier celles contenant du plomb, un élément non seulement toxique mais aussi instable.
Actuellement, le post-doctorant Hong Wang, le doctorant Tengyue He et leurs collègues au sein du groupe de recherche d’Omar Mohammed explorent le potentiel de matériaux sans plomb, chimiquement stables, non toxiques et facilement traitables.
Des découvertes surprenantes
« Nous avons été surpris de constater que des composés appelés halogénures d’organocuivre ont d’excellentes réponses aux rayons X, y compris un rendement lumineux élevé et une faible limite de détection« , confie Hong Wang. « Nous n’avons pas cru à ce résultat jusqu’à ce que nous l’ayons vérifié de nombreuses fois.«
Le chercheur précise que l’intégration de ces nouveaux matériaux dans des écrans scintillateurs uniformes a représenté un défi technique considérable. L’équipe a dû explorer de long en large diverses méthodes pour optimiser les techniques de préparation. Ils ont finalement réussi à combiner leurs halogénures avec un polymère organique pour obtenir un écran d’imagerie par rayons X d’un niveau de scintillation exceptionnel.
C’est l’une des valeurs les plus élevées jamais signalées pour des matériaux de scintillation à base d’halogénures de métaux organiques », se félicite Hong Wang.
Dans un travail connexe, également dirigé par Mohammed, Tengyue He et ses collègues ont élaboré d’autres composés de scintillation à base d’halogénures de cuivre[2]. Ils ont fabriqué deux types de leurs scintillateurs en nano-tiges et nanoparticules. Ces matériaux ont également montré des rendements très hauts et une résolution d’imagerie spatiale très impressionnante.
Améliorations significatives
La résolution d’imagerie des écrans basée sur ces innovations est supérieure de 150 % à celle des systèmes commerciaux actuellement disponibles, et leur homogénéité est nettement améliorée par rapport aux écrans réalisés avec d’autres mélanges de polymères/poudres. L’équipe réussit également à détecter des rayons X à des niveaux extrêmement bas, entre 55 et 92 fois inférieurs aux niveaux actuels nécessaires pour les examens médicaux standard par rayons X.
Cette avancée pourrait donc réduire considérablement l’exposition aux rayons X et les risques pour les patients si ces nouveaux scintillateurs étaient intégrés dans la technologie commerciale standard.
La faible toxicité des composés sans plomb réduirait également les risques pour les travailleurs qui produisent les écrans et ceux qui les utilisent. « J’étais vraiment exalté de constater que la résolution d’imagerie et l’homogénéité des écrans pouvaient atteindre un niveau aussi élevé« , déclare Tengyue He.
Impact des avancées
Le principal progrès physique qui semble au moins partiellement à l’origine des performances croissantes des composés développés par les chercheurs est le passage de la taille des particules scintillantes de l’échelle du micromètre à celle du nanomètre. Par ailleurs, tous les scintillateurs affichent des niveaux très bas de diffusion des rayons X incident et d’auto-absorption d’énergie : deux problèmes qui ont entravé les tentatives précédentes de développement de nouveaux scintillateurs.
Les chercheurs sont maintenant en train d’explorer le potentiel commercial de leurs découvertes. Tengyue He espère par exemple contribuer à démontrer le potentiel des applications de tests non destructifs, dans lesquels la transmission des rayons X à travers un matériau peut évaluer l’intégrité de sa fabrication et vérifier l’absence de défauts. Hong Wang, de son côté, espère relever le défi de la fabrication d’écrans de plus grande taille, plus adaptés aux applications réelles.
« Ces innovations novatrices, avec une résolution et une luminosité d’image exceptionnelles, ont le potentiel de bouleverser les applications médicales, industrielles et de sécurité, tout en surmontant les limites et les défis rencontrés par les tentatives précédentes« , conclut Omar Mohammed. « Sur la base de ces résultats, nous sommes convaincus que l’avenir de la technologie des rayons X s’annonce plus brillant et plus prometteur.«
En synthèse
L’équipe de recherche multidisciplinaire de la KAUST a fait une avancée notable en développant des matériaux scintillateurs novateurs pour l’imagerie par rayons X. Ces matériaux, dénués de toxicité et chimiquement stables, pourraient bousculer l’industrie de l’imagerie médicale.
Les progrès réalisés en matière de rendement lumineux et de résolution d’image pourraient également réduire l’exposition aux rayons X et les risques pour les patients. Ces résultats prometteurs sont le fruit d’efforts de recherche dédiés, visant à surmonter les défis techniques et à exploiter le potentiel commercial de ces découvertes.
Légende illustration principale : Hong Wang (à gauche) et Tengyue He (à droite) présentent leur nouveau matériau scintillant, qui produit des images aux rayons X avec une résolution deux fois supérieure à celle des rayons X commerciaux actuels. 2023 KAUST ; Eliza Mkhitaryan.
Références
- Wang, H., Wang, J-X., Song, X., He, T., Zhou, Y., Shekhah, O., Gutierrez-Arzaluz, L., Bayindir, M., Eddaoudi, M., Bakr, O. M. & Mohammed, O. F. Copper organometallic iodide arrays for efficient X-ray imaging. ACS Central Science 9, 668 – 674 (2023). article
- He, T., Zhou, Y., Yuan, P., Yin, J., Gutierrez-Arzaluz, L., Chen, S., Wang, J-X., Thomas, S., Alshareef, H. N., Bakr, O. M. & Mohammed, O.F. Copper iodide inks for high-resolution X-ray imaging screens. ACS Energy Letters 8, 1362-1370 (2023). article
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