​Dès le début de leur collaboration, Siemens Healthineers avait demandé au CEA-Leti de concevoir, fabriquer, intégrer et tester une nouvelle génération de PCDM à base d'un matériau semi-conducteur, le Tellurure de Cadmium (CdTe), puis d'obtenir une maturité suffisante pour intégrer cette nouvelle technologie de détecteurs dans un prototype de scanner à rayons X. Contrairement au détecteur conventionnel qui utilise la somme des photons reçus pour générer des images en niveaux de gris de la densité des structures anatomiques traversées, le module détecteur du CEA-Leti compte en temps réel un très grand nombre de photons avec une résolution spatiale très élevée, et les classe en deux catégories : basse énergie et haute énergie. Et cela change tout !

Module de détection de photons X en comptage (PCDM) du CEA-Leti

« L'idée de Siemens Healthineers d'intégrer les PCDM dans la future génération de scanners à rayons X était nouvelle et aucune technologie n'était disponible lorsque le CEA-Leti a commencé à travailler sur ce sujet », déclare Loïck Verger, responsable du partenariat industriel pour l'imagerie à rayons X au CEA-Leti. « Le défi technique, à savoir,  atteindre un faible bruit à un taux de comptage très élevé, classification en deux énergies et maturité suffisante pour être intégrés dans un scanner à rayons X, était énorme. »

Les modules de détection en comptage de photons visent à améliorer le diagnostic médical

Les images radiographiques monochromes révélant la densité des organes du corps sont déjà riches en information. L'ajout de couleurs avec une grande précision spatiale permettrait de diagnostiquer plus précisément certaines maladies, et de les rendre encore plus édifiantes. Cette innovation pourrait être proposée dans la nouvelle génération de détecteur de rayons X actuellement testée par la Mayo Clinic aux États-Unis et reposant sur une technologie de module de détecteur CEA-Leti.

 - Le comptage de photons permet d'améliorer le rapport signal sur bruit, et par conséquent de réduire la dose patient pour une qualité d'image inchangée.

- La classification énergétique des photons peut être utilisée pour produire une image en « couleurs », permettant de déterminer précisément le numéro atomique de tous les éléments chimiques présents dans le corps. Cette fonctionnalité permet également d'utiliser des agents de contraste ou des nanoparticules, indispensables au dépistage et à la compréhension de certaines maladies.

- Enfin, la très haute résolution spatiale du détecteur génère des images plus résolues spatialement afin de révéler des structures très fines telles que les petites voies respiratoires dans les poumons, les trabécules dans les os et les fils minces dans les stents coronaires.

« La collaboration réussie avec le CEA-Leti a permis à Siemens Healthineers de construire un prototype de scanner X basé sur une technologie de détecteur que Siemens considère comme l'avenir de la détection pour le scanner corps entier », poursuit Jean-Michel Casagrande, chef de projet de l'imagerie par rayons X pour le médical au CEA-Leti.

Les chercheurs de la Mayo Clinic ont évalué un prototype de scanner à rayons X utilisant les PCDM du CEA-Leti en termes de performances sur divers types de supports. Les premiers retours des médecins sont très encourageants. « Concernant le système de tomographie par détection en comptage de photons installé dans notre laboratoire, notre équipe de recherche a soigneusement évalué ses performances sur des fantômes, des cadavres, des animaux et des hommes. À ce jour, nous avons travaillé sur plus de 300 patients, et nos résultats démontrent que les avantages théoriques de ce type de technologie de détection peuvent générer des avantages cliniques importants. Nous avons déjà publié plus de 20 articles attestant d'une résolution spatiale améliorée, d'une diminution des exigences de dose de rayonnement ou de contraste d'iode, et d'une diminution des niveaux de bruit d'image et d'artefacts. De plus, la possibilité d'acquérir simultanément plusieurs jeux de données avec une résolution de 150 microns, chacun représentant un spectre d'énergie différent, devrait conduire à de nouvelles applications cliniques, » indique Cynthia H. McCollough, professeure de physique médicale et de génie biomédical à la Mayo Clinic (Rochester, États-Unis).

Des publications récentes* de l'équipe de la Mayo Clinic mettent en évidence certains avantages pour les patients, comme la possibilité de réduire jusqu'à 85% la dose de rayonnement reçue dans le cas de l'imagerie à haute résolution spatiale de l'oreille interne et de l'os environnant. Loïck Verger se félicite : « Il est extrêmement gratifiant de voir les images inédites qui ont été réalisées en utilisant les technologies que nous avons développées. Le fait de constater par nous-mêmes les avantages cliniques induits par plus d'une décennie d'efforts motive toute notre équipe à poursuivre le développement de technologies de pointe qui améliorent la vie des citoyens. »

*2020 Rajendran et al.