Des puces électroniques du LHC pour l'imagerie médicale, l'art, et l'ISS
Publié par Isabelle le 30/10/2019 à 14:00
Source: CERN
Comment des éléments de détecteurs se sont retrouvés au service de l'imagerie médicale, de la restauration d'oeuvres d'art, et jusque dans l'espace.


The Timepix3 chip developed by the Medipix3 collaboration (Image: CERN)

Comment des puces électroniques initialement développées pour les détecteurs du Grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons (LHC) pouvaient-elles être utilisées dans des domaines autres que la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) des hautes énergies ? Telle était la question qui a entraîné le développement des familles de puces de capteurs à pixels Medipix et Timepix. Les chercheurs ont imaginé de multiples applications possibles pour cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :), de sorte qu'au cours des vingt dernières années, ces puces ont été utilisées dans l'imagerie médicale (L'imagerie médicale regroupe les moyens d'acquisition et de restitution d'images à partir de différents phénomènes physiques (Résonance...), et pour la détection des faux dans le domaine de l'art, et la détection de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) radioactifs, entre autres. Récemment, un colloque s'est tenu au CERN pour commémorer le vingtième anniversaire de la collaboration Medipix 2, qui a débuté en 1999.

Les puces de capteurs à pixels sont utilisées dans les détecteurs du LHC pour suivre les traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la...) des particules électriquement chargées. Lorsqu'une particule frappe le capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de...), elle y dépose une charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.) qui est traitée par le système électronique. Ces puces fonctionnent selon le même principe que les appareils photos numériques, qui enregistrent des images à partir de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge)....) percutant les pixels, à ceci près qu'elles enregistrent non pas la lumière mais des particules, qui peuvent être au nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de 40 millions par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc...).

À la fin des années 1990, des ingénieurs et des physiciens du CERN développaient des circuits intégrés pour ces technologies à pixels. Ils se sont rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant...) compte qu'en ajoutant un compteur à chaque pixel (Le pixel, souvent abrégé px, est une unité de surface permettant de mesurer une image numérique. Son nom provient de la locution anglaise picture element, qui signifie...) et en comptant ainsi le nombre de particules percutant les capteurs, il devenait possible d'utiliser les puces dans l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par...) médicale ; les puces Medipix 2 étaient nées. Par la suite, les puces Timepix ont apporté une nouvelle fonctionnalité: la possibilité d'enregistrer le moment d'arrivée des particules ou l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) qu'elles déposent dans un pixel.

Le passage des puces Medipix 2 aux puces Medipix 3 est allé de paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) avec un essor de leur utilisation dans l'imagerie médicale, ce qui a abouti à la première radiographie (La radiographie est l'ensemble des techniques permettant de réaliser des clichés à l'aide de rayons X des structures internes d'un patient ou d'un composant mécanique (la...) couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) sur des parties du corps humain (Le corps humain est la structure physique d'une personne.) en 2018. Les premiers essais cliniques commencent maintenant en Nouvelle-Zélande (La Nouvelle-Zélande est un pays de l'Océanie, au Sud-Ouest de l'océan Pacifique, constitué de deux îles principales (l'île du Nord et l'île du Sud), et...). Ces puces polyvalentes ont en outre trouvé d'autres applications en dehors du secteur médical. Par exemple, la start-up InsightART permet à des chercheurs d'utiliser des puces Medipix 3 pour révéler la présence de différentes couches dans des oeuvres d'art et étudier la composition des matériaux afin de vérifier l'authenticité d'oeuvres attribuées à des artistes de renom.

L'équipe d'InsightART, basée à Prague, a récemment scanné une oeuvre qui aurait été réalisée par Van Gogh. Elle a conclu qu'il y avait de fortes chances que le grand peintre hollandais en soit bien l'auteur, car elle a observé sous la peinture le croquis d'une silhouette très similaire à d'autres qu'il peignait à l'époque. L'oeuvre sera envoyée au musée Van Gogh pour y être authentifiée, à l'aide de cette preuve ; il se pourrait donc bien que l'on ait découvert non pas une, mais deux oeuvres de Van Gogh dans le même tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :).

Des détecteurs à pixels Timepix se trouvent par ailleurs à bord de la Station spatiale internationale (La Station spatiale internationale (en anglais International Space Station ou ISS) est un habitat placé en orbite terrestre basse, occupé en permanence par un équipage international qui se consacre à la recherche...) depuis 2012 pour mesurer la dose de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) à laquelle les astronautes et les équipements sont exposés, et, en 2015, des lycéens britanniques ont envoyé leur propre détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été...) Timepix à la station, lors du voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel (tourisme) ou professionnel (affaires). Le voyage s'est considérablement développé et démocratisé, au cours du...) de l'astronaute (Un astronaute est le nom donné à une personne qui voyage ou ayant voyagé dans l'espace. Le terme désigne généralement un professionnel, pilote ou passager d'un véhicule spatial. Youri Gagarine...) Tim Peake. La capacité des puces à détecter les rayons gamma a été exploitée pour contribuer au démantèlement de réacteurs nucléaires, et leur potentiel pour permettre la détection du cancer de la thyroïde (Il existe trois grands types de cancers thyroïdiens ;) avec une meilleure résolution et une dose de radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par...) plus faible qu'auparavant est actuellement évalué.

Les puces Medipix et Timepix, développées par trois collaborations auxquelles participent, au total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total n'est pas forcément...), environ 32 instituts, constituent d'excellents exemples du transfert de connaissances du CERN à la société.
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