Une nouvelle caméra en cristal permet aux médecins de voir à l’intérieur du corps comme jamais auparavant

Maintenant, les scientifiques dirigés par la Northwestern University et l’Université Soochow en Chine ont construit le premier détecteur basé sur la pérovskite qui peut capturer des rayons gamma individuels pour l’imagerie SPECT avec une précision record. Le nouvel outil pourrait rendre les types communs d’imagerie de médecine nucléaire plus net, plus rapide, moins cher et plus sûr.

Pour les patients, cela pourrait signifier des temps de balayage plus courts, des résultats plus clairs et des doses de rayonnement plus faibles.

L’étude a été publiée le 30 août dans la revue Communications de la nature.

“Les pérovskites sont une famille de cristaux les plus connus pour transformer le domaine de l’énergie solaire”, a déclaré Mercouri Kanatzidis de Northwestern, l’auteur principal de l’étude. “Maintenant, ils sont prêts à faire de même pour la médecine nucléaire. C’est la première preuve claire que les détecteurs de pérovskite peuvent produire le type d’images nettes et fiables dont les médecins ont besoin pour fournir les meilleurs soins à leurs patients.”

“Notre approche améliore non seulement les performances des détecteurs, mais pourrait également réduire les coûts”, a déclaré l’auteur de co-correspondant Yihui He, professeur à l’Université de Soochow. “Cela signifie que plus d’hôpitaux et de cliniques pourraient éventuellement avoir accès aux meilleures technologies d’imagerie.”

Kanatzidis est un professeur de chimie de Charles E. et Emma H. ​​Morrison au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et un scientifique principal au Laboratoire national d’Argonne. Yihui Il est un ancien boursier postdoctoral du laboratoire de Kanatzidis.

La médecine nucléaire, comme l’imagerie SPECT (Tomographie informatique à émission à photon unique, fonctionne comme une caméra invisible. Les médecins implantent un petit radiotrasseur de courte durée sûr dans une partie spécifique du corps d’un patient. Le traceur émet des rayons gamma, qui passent vers l’extérieur dans les tissus et finissent par frapper un détecteur à l’extérieur du corps. Chaque rayon gamma est comme un pixel de lumière. Après avoir collecté des millions de ces pixels, les ordinateurs peuvent construire une image 3D d’organes de travail.

Les détecteurs d’aujourd’hui, qui sont fabriqués à partir de Telluride de zinc de cadmium (CZT) ou d’iodure de sodium (NAI), ont plusieurs inconvénients. Les détecteurs du CZT sont incroyablement chers, atteignant parfois la gamme de prix de centaines de milliers à des millions de dollars pour une caméra entière. Parce que les cristaux CZT sont cassants et sujets à la fissuration, ces détecteurs sont également difficiles à fabriquer. Bien que moins chers que les détecteurs CZT, les détecteurs NAI sont volumineux et produisent des images plus floues – comme prendre une photo à travers une fenêtre brumeuse.

Pour surmonter ces problèmes, les scientifiques se sont tournés vers des cristaux de pérovskite, un matériau que Kanatzidis a étudié depuis plus d’une décennie. En 2012, son groupe a construit les premières cellules solaires à film solide fabriquées à partir de pérovskites. Puis, en 2013, Kanatzidis a découvert que les cristaux de pérovskite unique étaient très prometteurs pour détecter les rayons X et les rayons gamma. Cette percée, activée par la croissance de son groupe de monocristaux de haute qualité, a déclenché une augmentation mondiale de la recherche et a effectivement lancé un nouveau champ dans des matériaux de détection de rayonnement dur.

“Ce travail montre à quel point nous pouvons pousser les détecteurs de pérovskite au-delà du laboratoire”, a déclaré Kanatzidis. “Lorsque nous avons découvert en 2013 pour la première fois que les seuls cristaux de pérovskite pouvaient détecter les rayons X et les rayons gamma, nous ne pouvions qu’imaginer leur potentiel. Maintenant, nous montrons que les détecteurs basés sur la pérovskite peuvent fournir la résolution et la sensibilité nécessaires pour exiger des applications comme l’imagerie de médecine nucléaire. Il est passionnant de voir cette technologie se rapprocher de l’impact réel.”

S’appuyant sur cette fondation, Kanatzidis et il a mené la croissance des cristaux, l’ingénierie de surface et la conception d’appareils pour la nouvelle étude. En augmentant et en façonnant soigneusement ces cristaux, les chercheurs ont créé un capteur pixélé – tout comme les pixels d’une caméra pour smartphone – qui offre une clarté et une stabilité record.

En direction de la conception et du développement du prototype de détecteur de rayons gamma, il a développé l’architecture pixélienne de l’appareil photo, optimisé l’électronique de lecture multicanal et effectué les expériences d’imagerie haute résolution qui ont validé les capacités de l’appareil. Lui, Kanatzidis et leur équipe ont démontré que les détecteurs basés sur la pérovskite peuvent atteindre des résolutions d’énergie record et des performances d’imagerie à photons uniques sans précédent, ouvrant la voie à une intégration pratique dans les systèmes d’imagerie de médecine nucléaire de nouvelle génération.

“Concevoir cette caméra gamma et démontrer ses performances a été incroyablement enrichissante”, a-t-il déclaré. “En combinant des cristaux de pérovskite de haute qualité avec un détecteur pixélé soigneusement optimisé et un système de lecture multicanal, nous avons pu obtenir des capacités record de résolution énergétique et d’imagerie.

Dans les expériences, le détecteur a pu se différencier entre les rayons gamma de différentes énergies avec la meilleure résolution rapportée jusqu’à présent. Il a également ressenti des signaux extrêmement faibles d’un radiotrasseur médical (technétium-99m) couramment utilisé dans la pratique clinique et des caractéristiques incroyablement fines, produisant des images croquantes qui pourraient séparer de minuscules sources radioactives espacées à quelques millimètres de part. Le détecteur est également resté très stable, collectant presque tout le signal du traceur sans perte ni distorsion. Parce que ces nouveaux détecteurs sont plus sensibles, les patients pourraient potentiellement nécessiter des temps de balayage plus courts ou des doses plus petites de rayonnement.

Northwestern Spinout Company Actia Inc. commercialise cette technologie – en travaillant avec des partenaires dans le domaine des dispositifs médicaux pour le sortir du laboratoire et des hôpitaux. Parce qu’ils sont plus faciles à cultiver et à utiliser des composants plus simples, les pérovskites offrent une alternative beaucoup moins coûteuse aux détecteurs CZT et NAI sans sacrifier la qualité. Les détecteurs à base de pérovskite offrent également une voie réaliste vers l’imagerie en utilisant une dose plus faible d’un radiotraceur que ce qui peut être utilisé avec un détecteur NAI mais à un prix qui garantit un accès généralisé des patients.

“Démontrant que les pérovskites peuvent fournir une imagerie à rayons gamma à photon unique est une étape importante”, a-t-il déclaré. “Il montre que ces matériaux sont prêts à aller au-delà du laboratoire et dans les technologies qui profitent directement à la santé humaine. À partir d’ici, nous voyons des opportunités d’affiner davantage les détecteurs, d’évoluer la production et d’explorer des orientations entièrement nouvelles en imagerie médicale.”

“La médecine nucléaire de haute qualité ne devrait pas être limitée aux hôpitaux qui peuvent se permettre l’équipement le plus cher”, a déclaré Kanatzidis. “Avec les pérovskites, nous pouvons ouvrir la porte à des analyses plus claires, plus rapides et plus sûres pour beaucoup plus de patients dans le monde. L’objectif ultime est de meilleurs scans, de meilleurs diagnostics et de meilleurs soins pour les patients.”

L’étude, «Imagerie à rayons γ à photon unique avec une grande énergie et une résolution spatiale Perovskite Semiconductor for Nuclear Medicine», a été soutenue par la Defense Kenes Reduction Agency (numéro de récompense HDTRA12020002), le consortium pour l’interaction de la radiation ionisante avec la matière University Research Alliance, The National Key R&D Founds of China Founds of China Founds of China. U2267211) et la Jiangsu Natural Science Foundation (numéro de récompense BK20240822).