Les détecteurs de rayons X à base de pérovskite ont beaucoup à offrir au domaine de l'imagerie diagnostique : faibles coûts de production, conversion directe, efficacité d'absorption élevée et résolution spatiale supérieure aux détecteurs existants. Mais bien que ces avantages aient été démontrés dans des études antérieures, les chercheurs n'ont pas encore déterminé s'ils se traduisent par des améliorations dans les applications cliniques.

Pour étudier ce potentiel plus en profondeur, les chercheurs du X-ray Cancer Imaging and Therapy Experimental (XCITE) Un laboratoire de l'Université de Victoria au Canada a effectué des essais cliniques virtuels sur des détecteurs de pérovskite de nouvelle génération intégrés dans des appareils d'imagerie à rayons X courants, rapportant leurs résultats dans Physique en médecine et biologie.

L'équipe a étudié le cristal de pérovskite bromure de plomb méthylammonium (MAPbBr₃), qui combine une mobilité élevée des porteurs de charge et une longue durée de vie des porteurs, ce qui le rend extrêmement sensible aux photons X incidents. En effet, certains MAPbBr₃ Les cristaux présentent des performances équivalentes à celles du tellurure de cadmium-zinc (CZT), un matériau prometteur utilisé dans les techniques d'imagerie médicale de pointe telles que la tomodensitométrie à comptage de photons.

Pour déterminer quelles applications d'imagerie peuvent convenir aux détecteurs de pérovskite, les chercheurs ont utilisé les simulations TOPAS Monte Carlo (MC) pour calculer l'efficacité de dépôt d'énergie (EDE, la fraction d'énergie absorbée par rapport à l'énergie incidente) de MAPbBr₃, pour des épaisseurs de cristal comprises entre 40 et 15 mm et des énergies de faisceau de 20 keV à 6 MeV.

Ils ont comparé les résultats avec quatre autres matériaux détecteurs : le sélénium amorphe (a-Se), couramment utilisé pour la mammographie ; l'iodure de césium (CsI), le matériau de détection standard pour les TC kilovoltage (kV) ; l'oxysulfure de gadolinium (GOS), tel qu'utilisé dans l'imagerie kV et mégavoltage (MV); et CZT.

En raison de la teneur en plomb de MAPbBr₃, la pérovskite présentait l'absorption d'énergie la plus élevée de tous les détecteurs dans la gamme d'énergie mammographique. Pour l'imagerie MV, seul le CZT avait un EDE supérieur, tandis que pour l'imagerie kV, la pérovskite n'était généralement pas aussi performante que les autres. Sur la base de ces résultats, l'équipe a choisi trois systèmes d'imagerie à étudier : le scanner CT du sein dédié de Koning et les systèmes de tomodensitométrie à faisceau conique Truebeam kV et MV (CBCT) de Varian.

"Les simulations EDE ont motivé l'inclusion de la tomodensitométrie mammaire, un système d'imagerie plus spécialisé que nous n'aurions pas simulé autrement", explique le premier auteur. Jéricho O'Connell. "Les systèmes kV et MV-CBCT auraient été inclus malgré tout, car ils sont des éléments clés du flux de travail de radiothérapie."

Essais cliniques virtuels

O'Connell et ses collègues ont utilisé des simulations MC hybrides Fastcat pour optimiser la conception du détecteur de pérovskite pour chaque application. En maximisant l'efficacité quantique de détection (DQE, l'efficacité de conversion d'un signal d'entrée en une image de sortie), ils ont calculé les épaisseurs optimales pour les cristaux de pérovskite à 0.30, 0.86 et 1.99 mm, pour le scanner du sein, kV- et MV-CBCT, respectivement. Ils ont ensuite utilisé ces détecteurs spécifiques à l'appareil dans une série d'essais cliniques virtuels.

Pour l'essai CT du sein, les chercheurs ont simulé un fantôme mammaire avec des microcalcifications imagées à l'aide du détecteur CsI par défaut et d'un détecteur pérovskite avec le même pas de pixel (0.194 mm). Le détecteur pérovskite a augmenté le contraste dans les microcalcifications de 87 %, visualisant clairement une lésion calcifiée mal définie à l'aide du détecteur CsI. Cela pourrait permettre une identification plus précise de ces structures dans le dépistage du cancer du sein lors de l'utilisation d'un détecteur à pérovskite, qui peut être fabriqué à moindre coût que le CsI.

Dans les essais virtuels CBCT kV et MV, les chercheurs ont imagé un fantôme de tête XCAT. Dans les deux cas, le détecteur de pérovskite a considérablement amélioré la qualité de l'image par rapport aux détecteurs par défaut. Dans les images kV, la résolution spatiale des caractéristiques osseuses fines et le contraste des tissus ont été considérablement améliorés à l'aide du détecteur de pérovskite, augmentant le CNR dans le cerveau et le crâne de 8 % et 13 %, respectivement, par rapport au détecteur CsI.

L'image MV s'est concentrée sur une région du crâne contenant des obturations en argent qui produisaient généralement de grands artefacts de stries dans les images kV. La haute efficacité du détecteur de pérovskite par rapport à un détecteur GOS a entraîné une amélioration spectaculaire du CNR et a permis une image sans artefact métallique de la mâchoire. Les chercheurs soulignent que le contraste amélioré des images MV-CBCT avec un détecteur de pérovskite pourrait permettre l'imagerie des patients sur des appareils de radiothérapie sans imageur kV embarqué, comme c'est le cas pour la plupart des systèmes dans les pays à revenu faible et intermédiaire.

L'impression 3D de pérovskites sur du graphène crée un détecteur de rayons X ultrasensible

Le remplacement des détecteurs actuels sur les appareils CT du sein, kV-CBCT et MV-CBCT par des détecteurs de pérovskite optimisés a amélioré le DQE de ces systèmes de 12.1 %, 9.5 % et 86.1 %, respectivement. "Les détecteurs à pérovskite fonctionnent mieux que les détecteurs actuels dans les applications CT du sein et kV-CBCT, et sont bien supérieurs aux détecteurs MV-CBCT actuels en termes de CNR et DQE", concluent les chercheurs.

Ensuite, l'équipe prévoit de créer des prototypes de détecteurs à panneau plat à base de pérovskite pour vérifier expérimentalement les essais virtuels. "Nous sommes ravis d'annoncer que nous avons envoyé des cristaux pour obtenir un prototype de détecteur pixélisé fabriqué par Capteurs AY", raconte O'Connell Monde de la physique. "Restez à l'écoute pour la caractérisation expérimentale du détecteur prototype."

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• La source: https://physicsworld.com/a/could-next-generation-perovskite-detectors-improve-clinical-x-ray-imaging/