Experimental Demonstration of Soft-Tissue Muon Scattering Tomography
Cet article présente la première démonstration expérimentale de la tomographie par diffusion de muons appliquée aux tissus mous biologiques, reconstruisant avec succès la densité tridimensionnelle d'un fantôme thoracique anthropomorphe à l'aide d'un faisceau de muons de 2 GeV/c au CERN avec une précision de l'ordre du pourcentage.
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Depuis près d'un siècle, les physiciens sont captivés par le muon, une particule subatomique qui pleut sur la Terre en provenance de l'espace. Découvert dans les rayons cosmiques dans les années 1930, le muon est un cousin lourd de l'électron, environ deux cents fois plus massif. Ce poids supplémentaire lui confère une capacité unique : il peut traverser des couches épaisses de matière qui arrêteraient d'autres particules dans leur élan. Alors que les électrons perdent rapidement leur énergie et sont absorbés, les muons peuvent voyager profondément dans les montagnes, les volcans et même dans le cœur des pyramides antiques. Les scientifiques utilisent depuis longtemps ce pouvoir de pénétration pour créer des images de structures cachées, une technique connue sous le nom de muographie. En mesurant combien de muons sont arrêtés par un objet, les chercheurs peuvent cartographier sa densité, révélant des espaces vides à l'intérieur d'un volcan ou des chambres cachées au sein d'une pyramide.
Cependant, il existe une seconde façon d'utiliser ces particules, qui ne repose pas sur le nombre de particules arrêtées, mais sur la manière dont elles rebondissent. Lorsqu'un muon traverse la matière, il heurte occasionnellement des noyaux atomiques et change légèrement de direction. Ce phénomène, appelé diffusion multiple, est plus prononcé dans les matériaux denses. Pendant des décennies, les scientifiques ont utilisé cet effet de « rebond » pour inspecter des cargaisons contenant des matières nucléaires cachées, où les atomes denses provoquent des déflexions significatives. Mais une nouvelle question persistait : cette même technique pourrait-elle fonctionner sur des tissus biologiques mous ? Contrairement aux atomes lourds du combustible nucléaire ou de la roche d'une montagne, le tissu humain est composé d'éléments légers qui ne font que peument dévier un muon de passage. Les déflexions qui en résultent sont minuscules, ce qui laissait planer le doute sur la capacité du signal à être assez fort pour construire une image claire du corps humain.
Une équipe de chercheurs a maintenant répondu à cette question par une expérience directe. Travaillant au Synchrotron de protons du CERN en Suisse, ils ont réussi à imager un modèle de thorax humain à l'aide d'un faisceau de muons de haute énergie. Leur objectif était de voir s'ils pouvaient reconstruire une carte tridimensionnelle de tissus mous en suivant les changements infimes de la trajectoire de muons individuels. Ils ont utilisé un modèle en plastique d'un thorax humain, appelé fantôme anthropomorphique, qui contient des matériaux imitant la densité des muscles, des os et des poumons de l'homme. Ce modèle a été placé dans un faisceau de muons voyageant à une impulsion de 2 GeV/c. Pour capturer les données, l'équipe a installé quatre détecteurs de trajectoire sensibles, deux avant le modèle et deux après, afin d'enregistrer la trajectoire exacte de chaque muon lors de son entrée et de sa sortie de l'objet.
L'expérience consistait à faire pivoter le modèle selon sept angles différents, permettant au faisceau de muons de traverser le fantôme sous diverses directions. À mesure que chaque muon traversait le fantôme, les détecteurs mesuraient l'ampleur du changement de sa trajectoire. Comme le tissu est très mou, ces déviations étaient incroyablement petites, noyées dans un océan de bruit statistique. Pour donner un sens à cela, les chercheurs ont d'abord utilisé une méthode mathématique standard pour créer une carte 3D brute et bruitée de la densité de diffusion. Cette carte initiale était trop granuleuse pour être utile en l'état. Pour la nettoyer, ils ont appliqué un programme informatique sophistiqué, un type d'intelligence artificielle appelé réseau de neurones. Ce réseau avait été entraîné exclusivement sur des millions de traces de muons simulées passant à travers des versions virtuelles du même fantôme. En apprenant à quoi devrait ressembler une image correcte, l'ordinateur pouvait éliminer le bruit des données expérimentales réelles, révélant ainsi la structure sous-jacente.
Les résultats ont été un succès. L'image reconstruite montrait une région uniforme de tissu mou au centre du fantôme, exactement là où se trouvent le cœur et les organes environnants. La densité mesurée dans cette zone centrale correspondait à la valeur attendue des simulations informatiques à moins de un pour cent. Cet accord a prouvé que la technique pouvait mesurer avec précision les propriétés de diffusion des tissus mous, malgré les signaux extrêmement faibles. Les chercheurs ont également examiné les bords du modèle, où se situent les côtes et la colonne vertébrale. Bien que ces structures osseuses n'aient pas été entièrement échantillonnées par le faisceau sous tous les angles, elles apparaissaient tout de même dans l'image à leurs positions approximativement correctes et avec une densité proche de celle de l'os réel. Cela a démontré que la méthode pouvait distinguer différents types de tissus, même lorsque les données étaient incomplètes.
L'étude a également abordé les préoccupations pratiques liées à l'utilisation d'un faisceau de particules aussi puissant sur un corps humain. Les chercheurs ont calculé la quantité de rayonnement qu'une personne recevrait lors d'un examen similaire. Ils ont constaté que l'énergie déposée par les muons est incroyablement faible. Dans la partie entièrement échantillonnée de leur expérience, la dose n'était que d'environ 2 microsieverts. Pour donner un ordre d'idée, une radiographie thoracique standard délivre une dose environ cinquante fois plus élevée, et un scanner CT typique est des centaines de fois plus élevé. Cela suggère que si cette technologie devait un jour être adaptée à un usage médical, elle pourrait fournir des images internes détaillées avec une charge de radiation bien moindre que les méthodes actuelles.
Bien que l'expérience soit une preuve de concept utilisant un modèle et un accélérateur de particules spécialisé, elle ouvre une nouvelle porte pour l'imagerie médicale. Les chercheurs ont montré que la faible diffusion des tissus mous n'est pas trop ténue pour être mesurée, à condition de disposer d'assez de muons et des bons outils pour interpréter les données. Le travail confirme que la tomographie par diffusion de muons peut être étendue au-delà de son utilisation traditionnelle pour les matériaux lourds vers le domaine de la biologie. Bien que l'installation actuelle nécessite un grand accélérateur et un faisceau spécifique, les principes démontrés ici jettent les bases de développements futurs. À mesure que de nouvelles sources de muons plus compactes seront développées, cette technique pourrait éventuellement offrir un moyen de voir à l'intérieur du corps humain avec une clarté sans précédent et une exposition minimale aux radiations.
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