Vaincre le courant d’obscurité pour une imagerie à rayons X plus sûre

Une technologie de détection capable de créer des images nettes à partir de doses ultra-faibles de rayons X pourrait améliorer la sécurité de l’imagerie médicale par rayons X. L’invention permet d’obtenir une sensibilité élevée en utilisant un nouvel arrangement de monocristaux de pérovskite comme matériaux de détection des rayons X.

Bien que les appareils à rayons X restent une forme essentielle d’imagerie médicale, les rayons X sont une forme de rayonnement ionisant à haute énergie et des doses élevées sont associées à un risque accru de cancer. Maintenir l’exposition aux rayons X dans des limites sûres limite l’utilisation médicale.

Une recherche intense est en cours pour identifier les matériaux qui pourraient augmenter la sensibilité des détecteurs de rayons X, ce qui permettrait d’obtenir des images médicales de haute qualité en utilisant des doses de rayons X très faibles.

« Ces dernières années, de nombreux matériaux monocristallins pérovskites ont démontré d’excellentes performances en matière de détection des rayons X », explique Xin Song, chercheur à la KAUST et membre du groupe de recherche d’Omar Mohammed, qui a dirigé les travaux.

Lorsqu’un photon de rayons X frappe un cristal semi-conducteur de pérovskite, il génère une paire de charges électriques, l’une positive et l’autre négative. Lorsque ces charges atteignent les électrodes situées sur les bords de la pérovskite, elles créent un photocourant à partir duquel des images à rayons X peuvent être générées.

Pour améliorer encore les performances des détecteurs de rayons X en pérovskite, l’équipe a ciblé le « courant d’obscurité » des matériaux. «. Le courant d’obscurité est principalement causé par les porteurs de charge générés par la chaleur et les courants de fuite à l’intérieur du dispositif, ajoute-t-elle.

Le courant d’obscurité dans un détecteur de rayons X peut obscurcir les signaux des rayons X à faible dose et introduire un bruit supplémentaire. « Cela réduit le rapport signal/bruit et a un impact négatif sur les performances globales de l’appareil », indique encore Mme Song.

L’équipe de recherche a maintenant démontré qu’une approche appelée ingénierie en cascade peut supprimer efficacement le courant d’obscurité. « L’ingénierie en cascade consiste à connecter un type de monocristaux en série », indique M. Mohammed. Le fait de connecter des cristaux en série augmente la résistance électrique à travers les dispositifs. « Cela permet de réduire efficacement le courant d’obscurité et le bruit du dispositif sans affecter les porteurs de charge générés par les rayons X, ce qui améliore les performances du détecteur et réduit sa limite de détection.»

L’équipe a mis au point un dispositif basé sur une pérovskite appelée bromure de méthylammonium et de plomb (MAPbBr3) pour tester le concept d’ingénierie en cascade. « Ce matériau présente une stabilité relativement élevée et le processus de synthèse permet de préparer des monocristaux de MAPbBr3 avec une excellente reproductibilité », explique M. Song. Ces attributs font de ce matériau un candidat idéal pour la fabrication de détecteurs de rayons X, avec un potentiel commercial important, ajoute-t-elle.

Les chercheurs ont testé des connexions de 1 à 4 monocristaux en série et ont montré que l’augmentation du nombre de connexions en série réduisait efficacement le courant d’obscurité. Cependant, l’augmentation du nombre de cristaux a également affaibli la sensibilité de détection du dispositif. « Nous avons constaté que la connexion de deux cristaux en série permettait d’atteindre la limite de détection la plus basse tout en conservant une sensibilité plus élevée », précise M. Song. Le couplage de deux cristaux en cascade a permis d’abaisser la limite de détection de 590 nGy-s-1 à seulement 100 nGy-s-1.

« Nous étudions actuellement la structure en cascade pour d’autres monocristaux de pérovskite, dans le but de réduire encore davantage leurs limites de détection », conclut M. Mohammed.

L’équipe travaille également sur le conditionnement des monocristaux de MAPbBr3 en cascade pour l’imagerie médicale dans le monde réel.

Légende illustration : En appliquant l’approche d’ingénierie en cascade à la pérovskite bromure de méthylammonium et de plomb (MAPbBr3), les chercheurs de la KAUST ont mis au point un détecteur de rayons X aux performances accrues et à la limite de détection plus basse.

Song, X., Zhang, X., He, T., Wang, J., Zhu, H., Zhou, R., Ahmad, T., Bakr, O.M.& Mohammed, O.F. Revolutionizing X‐ray imaging: A leap toward ultra-low-dose detection with a cascade-engineered approach. ACS Central Science10, 2082–2089 (2024).| Article

Source : Kaust