Il existe trois types de cellules coniques dans la rétine appelées cônes L (sensibles à la lumière rouge), cônes M (sensibles à la lumière verte) et cônes S (sensibles à la lumière bleue). La réponse coordonnée des cellules coniques à la lumière visible dans la gamme de longueurs d’onde de 400 à 780 nm nous permet de voir le monde coloré. Dans la gamme de longueurs d’onde des rayons X invisibles (1 pm-10 nm), les détecteurs de rayons X remplissent la même fonction que les « yeux ». Cependant, les détecteurs de rayons X appliquent généralement une détection en mode d’intégration de charge, qui ne peut pas distinguer la longueur d’onde et l’énergie. Par conséquent, la radiographie numérique et les examens CT ne peuvent obtenir qu’une imagerie en niveaux de gris.
En fait, l’énergie photonique des rayons X contient beaucoup d’informations. La capacité d’atténuation des rayons X dépend de l’énergie des photons émis et de la densité et de la composition de l’objet pénétré. Le développement de la détection par rayons X pour la discrimination bi- ou multi-énergies est un axe de recherche important dans des domaines connexes. Ces détecteurs sont utiles pour distinguer les substances de différentes densités, améliorer le contraste d’imagerie entre les objets organiques et inorganiques et identifier les substances molles (caoutchouc, plastique, tissus mous, etc.) qui absorbent mal le rayonnement.
De plus, le détecteur peut également extraire des images de différentes substances au même endroit en utilisant la soustraction numérique, comme la soustraction des os et la préservation uniquement de l’image pulmonaire dans une radiographie thoracique. Cependant, à l’heure actuelle, la discrimination énergétique des détecteurs à double couche ne peut pas répondre aux exigences d’imagerie complexes. Et le mode de détection indirecte des rayons X (rayons X → lumière visible → charge électronique) qui est maintenant appliqué limite généralement la sensibilité de détection, ce qui nécessite une dose de rayonnement élevée pour une imagerie claire.
Dans un nouvel article publié dans Sciences de la lumière et applications, une équipe de scientifiques, dirigée par le professeur Guangda Niu et le professeur Jiang Tang du Laboratoire national d’optoélectronique de Wuhan, de l’Université des sciences et technologies de Huazhong, démontre, en Chine, et ses collègues ont démontré, pour la première fois, la nouvelle conception de « vertical détecteurs directs de rayons X pérovskites à matrice » (rayons X → charge électronique) pour la détection multi-énergies. Le terme « matrice verticale » signifie que le réseau de détecteurs est aligné le long de la direction incidente d’un rayon X plutôt que perpendiculaire à la direction incidente. Le principe est que les photons de rayons X avec une énergie différente ont des profondeurs d’atténuation différentes dans la matrice verticale, et les photons à faible énergie déposent la majeure partie de l’énergie dans les couches peu profondes et les photons à haute énergie dans les couches plus profondes. Ainsi, la matrice verticale pourrait restituer le spectre des rayons X en détail. De plus, ce détecteur de rayons X peut réaliser une discrimination multi-énergie efficace sous une seule exposition, ce qui n’a pas été réalisé dans les détecteurs traditionnels. Avec l’aide de la méthode de soustraction, il pourrait clairement distinguer les objets avec des densités faibles et élevées.
Dans cet article, les chercheurs ont construit la matrice de conversion entre le spectre d’énergie des rayons X et les réponses des électrodes de la matrice verticale dans cinq plages. La matrice de conversion est universelle pour différents spectres de rayons X, qui ne dépendent que de la structure et des propriétés du détecteur lui-même.
« Pour la démonstration, nous avons dérivé avec précision les valeurs d’énergie de coupure pour les sources de rayons X inconnues. Les éléments de la matrice spectrale reconstruite ont non seulement des bords de coupure clairs qui correspondent aux tensions de commande réelles (45 kVp, 55 kVp, 65 kVp ), mais présentent également de petits écarts avec les intensités spectrales de rayons X simulées de 10,41 % (45 kVp), 2,77 % (55 kVp), 2,97 % (65 kVp) respectivement. Cette bonne correspondance prouve l’efficacité de la matrice de conversion, » précise l’étude.
« Nous avons proportionnellement utilisé du CaCO3, du PDMS et de la paraffine avec des densités similaires pour remplacer les trois composants les plus importants du corps humain, le squelette, le sang et les muscles, et la graisse pour les applications d’imagerie par rayons X multi-énergies. Les substances à faible densité ont une imagerie plus élevée. contraste de l’électrode frontale, et les substances lourdes sont plus claires dans l’électrode arrière. Plusieurs images de groupes de différentes substances peuvent être séparées par soustraction numérique. Le détecteur à matrice verticale pourrait produire un ensemble d’images contenant la densité- informations graduées sous une seule exposition et localiser la position cachée pour toutes les substances de faible, moyenne et haute densité.
« Le détecteur de pérovskite à matrice verticale peut colorer des photos radiographiques en noir et blanc et fournir des informations plus cachées dans des applications telles que le diagnostic de maladies. Il offre des opportunités encourageantes pour le spectromètre à rayons X à faible coût de nouvelle génération avec résolution énergétique, substance la discrimination et l’amélioration du contraste d’imagerie », expliquent les scientifiques.
Jincong Pang et al, Détecteur de rayons X pérovskite à matrice verticale pour une discrimination multi-énergie efficace, Lumière : science et applications (2022). DOI : 10.1038/s41377-022-00791-y