Les chercheurs ont développé une technique d’imagerie aux rayons X capable de produire des images détaillées d’organismes vivants avec une dose de rayons X beaucoup plus faible qu’auparavant. Cette avancée permet d'étudier de petits organismes ou d'autres échantillons sensibles à haute résolution sur des périodes beaucoup plus longues, ce qui pourrait révéler de nouvelles informations sur une variété de processus dynamiques.
L’approche est basée sur l’imagerie par contraste de phase, qui repose non seulement sur l’absorption des rayons X dans un échantillon, mais également sur les propriétés ondulatoires des rayons X. Plus précisément, il crée des images à partir des changements de phase qui se produisent lorsque les rayons X traversent un spécimen.
"Auparavant, l'imagerie par contraste de phase par rayons X à résolution micrométrique d'organismes vivants n'était possible que pendant quelques secondes à quelques minutes, car de graves dommages causés par les radiations se produiraient", a expliqué Rebecca Spiecker, membre de l'équipe de recherche de l'Institut de technologie de Karlsruhe en Allemagne. "Nous avons réduit la dose de rayons X nécessaire en surmontant les limites actuelles de l'imagerie haute résolution pour les applications sensibles à la dose."
Dans la revue Optica , les chercheurs décrivent comment ils ont développé un nouveau système d'imagerie à rayons X qui utilise une optique à rayons X hautement efficace et des détecteurs à comptage de photons uniques pour augmenter l'efficacité de la dose pour l'imagerie plein champ à une résolution micrométrique. Ils ont démontré les avantages de la nouvelle technique en imagerie de minuscules guêpes parasitoïdes émergeant de leurs œufs hôtes pendant plus de 30 minutes.
"Nous montrons que notre méthode présente des performances d'imagerie supérieures à celles d'un détecteur haute résolution classique", a déclaré Spiecker. "Cela pourrait être utile, par exemple, pour capturer des détails sur le développement et le comportement de petits organismes modèles, tels que les embryons de grenouille Xenopus, sur une échelle de temps plus longue que ce qui est actuellement possible."
L’imagerie aux rayons X peut révéler des structures et des processus cachés dans les organismes vivants. Cependant, cela expose également les organismes à des rayonnements nocifs à des doses élevées, limitant la durée des observations avant que des dommages ne surviennent. Ceci est aggravé par le fait que l'efficacité de détection des détecteurs haute résolution couramment utilisés diminue avec l'augmentation de la résolution, ce qui signifie que des doses de rayons X encore plus élevées sont nécessaires pour obtenir une image haute résolution.
Pour surmonter ce défi, les chercheurs ont développé une approche d'imagerie à contraste de phase qui agrandit directement l'image radiographique plutôt que de convertir l'image radiographique en une image en lumière visible puis de l'agrandir, ce qui est la méthode typique. Cela leur a permis d'utiliser des détecteurs à grande surface très efficaces tout en conservant une résolution spatiale micrométrique.
Dans le nouveau système d’imagerie, les chercheurs ont utilisé un détecteur d’imagerie à comptage de photons uniques d’une taille de pixel de 55 microns. L'image radiologique est agrandie derrière l'échantillon à l'aide d'une optique à cristal, connue sous le nom de loupe de Bragg. Ce dernier est constitué de deux cristaux de silicium parfaits pour effectuer le grossissement.
"Pour obtenir l'efficacité de dose la plus élevée possible pour l'imagerie à rayons X plein champ à une résolution micrométrique, nous combinons le contraste de phase des rayons X, une loupe de Bragg et un détecteur à comptage de photons uniques, tous optimisés pour une énergie de rayon X optimale de 30 keV", a déclaré Spiecker. "Le concept des loupes de Bragg remonte à la fin des années 1970, et bien que leur potentiel pour augmenter l'efficacité de la dose ait été noté, il n'a pas été exploré jusqu'à présent."
Après avoir montré que leur nouveau système pouvait atteindre une efficacité de dose de plus de 90 % tout en offrant une résolution allant jusqu'à 1,3 microns, les chercheurs ont comparé ses performances à celles d'un système de détection conventionnel à haute résolution utilisant le même échantillon, la même fluence de rayons X et 30 microns. Énergie des rayons X keV.
"À cette énergie, nous avons montré que l'efficacité quantique de détection de notre système dépasse celle du système conventionnel de plus de deux ordres de grandeur pour les composants haute résolution pertinents de l'image", a déclaré Spiecker. "Cela donne de meilleures images et permet une réduction drastique de la dose de rayons X dans l'échantillon."
Les chercheurs ont ensuite utilisé le système pour réaliser une étude comportementale pilote sur des guêpes parasitoïdes vivantes, largement utilisées pour la lutte biologique contre les ravageurs. Grâce à l'exposition minimale aux radiations, ils ont pu capturer des images des minuscules guêpes à l'intérieur de leurs œufs hôtes pendant 30 minutes avant que les guêpes n'émergent finalement.
Les chercheurs affirment que la méthode pourrait également être utile pour des applications biomédicales, telles que l'examen tomographique doux d'échantillons de biopsie. Cependant, l'utilisation d'une loupe de Bragg nécessite un faisceau monochromatique, cohérent et collimaté, disponible dans les installations de synchrotron à rayons X. Ils continuent également d'améliorer le système pour obtenir un champ de vision plus large et une stabilité mécanique accrue à long terme pour des temps de mesure encore plus longs.
Plus d'informations : Rebecca Spiecker et al, Imagerie à contraste de phase par rayons X in vivo à dose efficace à une résolution micrométrique, Optica (2023). DOI :10.1364/OPTICA.500978
Informations sur le journal : Optique
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