Etude expérimentale de la génération de rayonnement X par laser pour application en imagerie médicale

Experimental study of X-ray generation by laser for medical imaging application

• Auteur / Autrice : Panyi Song
• Direction : Fabien Dorchies
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Guionneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Sauvage
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Annie Klisnick, Olivier Utéza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie médicale

Mammographie

Lasers

Rayons X

Tomographie

Mots clés libres

Tomographie

Rayonnement X

Laser

Mammographie

Imagerie médicale

Tomogrqphy

X rays

High intensity laser

Mammography

Medical imaging

Résumé

L’interaction laser-matière à haut-flux est connue pour donner lieu à l’émissionde plusieurs types de rayonnements secondaires. Dans les conditions d’irradiation appropriées,c’est-à-dire avec une intensité laser de l’ordre de 1016 à 1018 W/cm2, les mécanismes d’absorptionde l’énergie laser, d’accélération des électrons dans la cible, puis de rayonnement, conduisent àl’émission d’un spectre X similaire à celui d’un tube à rayons X composé de raies de fluorescenceatomique Kα et d’un rayonnement de freinage.Ce travail a permis d’étudier expérimentalement l’influence des nombreux paramètres impactantla génération de rayonnement X et en particulier celle du Kα : paramètres laser (durée d’impulsion,intensité, contraste, ...), paramètres de la cible d’interaction (matériau, géométrie, épaisseur) etparamètres physiques du système de conversion utilisé (système de focalisation et pare-débris,géométrie et mouvements de la cible). Ce travail a également permis de développer et de mettreen œuvre des diagnostics visant à caractériser la source : spectre d’émission, taille, stabilitéspatiale et temporelle et taux de conversion énergétique. L’objectif final sera de bâtir une versionsuffisamment robuste d’une source X par laser répondant à des contraintes liées à une applicationmédicale ou scientifique. La première application ciblée par le projet XPulse qui sert de cadre àcette thèse est la détection précoce du cancer du sein, en exploitant une source X-Kα générée parun laser ultra-intense de haute puissance moyenne

High-flux laser-matter interaction is known to result in the emission of various typesof secondary radiations. Under appropriate irradiation conditions, i.e., with a laser intensityin the range of 1016- 1018 W/cm², the mechanisms involving laser energy absorption, electronacceleration within the target, and subsequent radiation lead to the emission of an X-ray spectrumsimilar to that of a tube: atomic fluorescence lines and bremsstrahlung radiation. The objectiveof this thesis is to experimentally investigate the influence of numerous parameters affectingthe generation of X-ray radiation, especially Kα radiation. These parameters include lasercharacteristics (pulse duration, intensity, contrast, etc.), interaction target parameters (material,geometry, thickness), and physical parameters of the utilized conversion system (focusing system,debris shield, target geometry, and motion).Additionally, this work aims to develop or implement diagnostics to characterize the source, suchas emission spectrum, size, temporal stability, and energy conversion efficiency. The ultimategoal is to establish a sufficiently robust understanding to develop an X-ray source using lasersthat meets the requirements for medical or scientific applications.The primary application targeted by the XPulse project, which serves as the framework forthis thesis, is the early detection of breast cancer by using an ultra-intense high average powerlaser-generated X-Kα source.