Renaissance des rayons X

 

Ce sont des images en mouvement tridimensionnelles et à très haute résolution de l'appareil de vol de mouches à viande qui Marco Stampanoni, professeur à l'ETH Zurich et chef de groupe au page externeInstitut Paul Scherrer (PSI) L'étude a été présentée lors d'une conférence à Villigen, dans le canton d'Argovie, en collaboration avec des collègues de l'Imperial College de Londres et de l'Université d'Oxford. Pour Stampanoni, il s'agissait de l'un des moments forts de sa recherche personnelle de l'année dernière.

Les clichés tridimensionnels en mouvement, d'une résolution de quelques micromètres, sont un bon exemple de ce que les scientifiques peuvent réaliser aujourd'hui, 120 ans après que Wilhelm Conrad R?ntgen a découvert le rayonnement qui porte son nom. Marco Stampanoni fait partie des scientifiques qui ont considérablement fait évoluer la microscopie à rayons X ces dernières années. Quoi que ce Tessinois de 41 ans fasse à son poste de travail principal, la page externeSource de lumière synchrotron suisse (SLS) au PSI, place aujourd'hui sous son microscope, il peut produire des images tridimensionnelles à haute résolution de l'intérieur de ses objets d'étude.

Des mesures aussi précises et même des films d'objets en mouvement comme les mouches à viande sont possibles parce que la SLS produit une lumière très intense, appelée rayonnement synchrotron. "Une grande quantité de rayons X tombe sur l'objet examiné chaque seconde", explique le professeur de l'ETH, "ce qui nous permet d'effectuer des mesures avec des temps d'exposition extrêmement courts. Quelques millisecondes nous suffisent pour obtenir une image à haute résolution".

Pour obtenir le rayonnement synchrotron, une grande installation comme la SLS est nécessaire. "Ce rayonnement est également produit par exemple par le célèbre accélérateur de particules LHC du Cern à Genève. Là, il s'agit toutefois d'un déchet qui n'est pas utilisé, car le LHC a été construit dans un autre but", explique le professeur Stampanoni de l'ETH. "Le SLS, en revanche, a été construit spécialement pour utiliser le rayonnement synchrotron".

Bien que ce rayonnement soit très intense, il n'est pas visible pour l'?il humain - il se situe dans la gamme de longueurs d'onde des rayons X et des rayons UV à ondes courtes. Le fait que les scientifiques appellent ce rayonnement "lumière" et que SLS signifie "Source de lumière synchrotron suisse" s'explique par des raisons historiques et physiques. En effet, les rayons X permettent d'éclairer des objets. En outre, le rayonnement électromagnétique dans tout le spectre, des rayons gamma et des rayons X aux micro-ondes et aux ondes radio en passant par la lumière visible, est essentiellement la même chose. Ces rayonnements se distinguent uniquement par leur longueur d'onde.

Radiologie classique développée

Outre son intensité, le rayonnement X produit dans la source de lumière synchrotron présente un autre avantage : il est dit cohérent, c'est-à-dire qu'il se compose d'ondes présentant un modèle d'oscillation uniforme. Cette cohérence est une condition importante pour la radiographie dite à contraste de phase, un perfectionnement de la radiographie classique qui fait actuellement l'objet de recherches intensives et qui révèle encore plus de détails à l'intérieur des objets examinés. La radiographie à contraste de phase est un autre domaine de recherche du professeur de l'ETH Marco Stampanoni.

Pour simplifier, la radiographie traditionnelle consiste à envoyer un rayonnement sur un corps et à mesurer ensuite la quantité de rayonnement qui a pu traverser le corps. Les os, par exemple, absorbent les rayons X, tandis que les tissus mous sont traversés par la lumière des rayons X. Les rayons X conventionnels permettent donc de visualiser à l'intérieur d'un corps des structures dont les propriétés d'absorption diffèrent sensiblement de celles de leur environnement.

En revanche, dans le cas de la radiographie à contraste de phase, les détecteurs n'enregistrent pas seulement l'intensité de la lumière X non absorbée. En outre, ils mesurent également si le rayonnement à l'intérieur de l'objet a été légèrement dévié en raison des deux phénomènes physiques de diffraction et de réfraction. "A partir de là, nous pouvons calculer des images très nettes et très contrastées et reproduire dans les tissus des structures qui ne sont pas visibles ou seulement de manière floue avec la technique radiographique traditionnelle", explique Stampanoni.

Intéressant pour la mammographie

Jusqu'à récemment, les scientifiques dépendaient des grandes installations de recherche synchrotron pour obtenir le rayonnement cohérent, si central pour la radiographie à contraste de phase. Mais il y a quelques années, des chercheurs du PSI sont parvenus à utiliser à ces fins des tubes à rayons X traditionnels, tels qu'on en trouve par exemple dans les cabinets médicaux et les h?pitaux et qui produisent un rayonnement non cohérent. Les scientifiques utilisent pour cela une astuce et un agencement de plusieurs grilles spécialement fabriquées avec une succession de barrettes et de fentes extrêmement fines et disposées en parallèle. Une première micro-grille de ce type, en or, placée entre le tube à rayons X et l'objet examiné rend les rayons X cohérents, tandis qu'une deuxième grille en silicium divise les ondes électromagnétiques en plusieurs ondes qui se superposent. Une troisième microréseau en or aide les scientifiques à constater les changements dans le modèle de superposition obtenu et à calculer à partir de là dans quelle mesure le rayonnement a été diffracté et réfracté.

"Cette technique est intéressante, entre autres, dans la mammographie pour la détection précoce du cancer du sein", explique Stampanoni. Les premiers tests effectués par les chercheurs sur des échantillons de tissu mammaire indiquent qu'elle permet de distinguer différents types de microcalcifications dans le sein féminin, qu'il n'était pas possible de distinguer jusqu'à présent par radiographie conventionnelle. Ces microcalcifications sont le signe d'une tumeur à un stade précoce, raison pour laquelle cette technique pourrait à l'avenir aider les médecins à mieux détecter les modifications malignes du sein de manière non invasive. Le physicien considère ce travail comme son deuxième point fort de recherche de l'année dernière : "C'est un très bel exemple de la manière dont on peut prendre le savoir-faire de la recherche fondamentale dans une grande installation de recherche et le mettre à la disposition de tout un chacun".

Jusqu'à présent, les scientifiques autour de Stampanoni travaillaient avec un prototype qui n'est pas adapté à une utilisation en clinique. De plus, ils ont d'abord examiné des échantillons de tissus mammaires, mais pas directement des patientes. "L'un de nos prochains objectifs est toutefois de développer un appareil adapté à l'h?pital et de réaliser ainsi les premières études cliniques", explique Stampanoni.

Détecter les explosifs plastiques

La radiographie à contraste de phase pourrait également être envisagée un jour pour d'autres applications, par exemple pour des scanners de bagages améliorés dans les aéroports. Les scanners actuels ne peuvent par exemple pas faire la différence entre un explosif plastique et un fromage, car ces deux substances ont des propriétés d'absorption comparables. Les propriétés de diffraction et de réfraction de ces substances diffèrent toutefois, raison pour laquelle les rayons X à contraste de phase apporteraient des avantages.

Pendant ce temps, Marco Stampanoni travaille sur ses prochains projets de microscopie : Il souhaite d'une part cartographier le cerveau d'une souris en trois dimensions de manière non invasive, avec tous les vaisseaux sanguins, même les plus petits, avec une résolution jamais atteinte jusqu'ici, inférieure à un micromètre. A titre de comparaison, la résolution des images cérébrales actuelles obtenues par tomographie assistée par ordinateur est mille fois inférieure. Un grand défi consistera à prendre une image avec une telle quantité de données en un temps raisonnable. D'autre part, Stampanoni est en train d'observer au microscope les poumons d'une souris vivante et qui respire, y compris les plus petites ramifications pulmonaires. En raison des mouvements pulmonaires, la vitesse de sa méthode est particulièrement requise. "Le temps est venu pour de tels développements", explique Stampanoni, "car nous assistons actuellement à une renaissance de la radiographie". Les progrès réalisés ces dernières années dans le domaine de la radiographie à contraste de phase sont si importants qu'ils deviennent intéressants pour le diagnostic médical. En outre, il existe aujourd'hui des détecteurs à mesure très rapide.

Si l'on avait voulu, il y a dix ans, réaliser une image tridimensionnelle à haute résolution comparable de l'intérieur du corps d'une mouche à viande, une mesure aurait duré plusieurs heures, explique Stampanoni. Un film avec dix images tridimensionnelles par seconde n'aurait pas encore été envisageable.