Les semiconducteurs, indispensables dans le développement de technologies biomédicales

À l’Université de Sherbrooke, l’évolution des semiconducteurs a permis de concevoir, fabriquer et caractériser deux générations de scanners TEP pouvant s’adapter à différentes géométries, de la souris jusqu’au cerveau humain. Apprenez-en plus sur le rôle des semiconducteurs pour le développement de technologies biomédicales avec Réjean Fontaine, spécialiste des systèmes électroniques et informatiques appliqués à l'imagerie médicale, chercheur au 3IT et professeur à la Faculté de génie.

Quel est le rôle des semiconducteurs dans le développement de technologies biomédicales?

Les semiconducteurs sont omniprésents dans le domaine des technologies biomédicale. On n’a qu’à penser aux documents papiers qui sont actuellement remplacés par des données informatiques qui nécessitent des processeurs et des unités de disques pour contenir les données des patients.

Depuis une décennie, une panoplie de dispositifs portables ont été développés et sont utilisés, des montres intelligentes qui permettent de suivre l’évolutions d’activités physiques aux circuits plus spécialisés comme le pacemaker, ou encore les implants pouvant s’interfacer avec le système nerveux. La miniaturisation et la réduction de la consommation d’énergie contribuent grandement à la démocratisation de ces dispositifs.

En quoi l'évolution des scanners est-il lié à celui des semiconducteurs?

L'évolution de scanners en tomographie d’émission par positrons est intimement lié au développement des capacités des semiconducteurs. Ces appareils reposent sur la détection de photons de haute énergie dont il faut déterminer le moment d’arrivée, avec une très grande précision, dans des modules de détection constituant l’appareil. Ces modules de détection se basent sur des photodétecteurs sur silicium couplés à de l’électronique rapide.

Les travaux de plusieurs équipes de recherche ont permis de perfectionner autant la technologie des photodétecteurs pour les rendre plus sensibles et plus rapides ainsi que de l’électronique de lecture pour qu’elle soit également plus rapide, mais opérant aussi à une très faible puissance afin d’augmenter le nombre de pixels de détection.

Ces travaux ont permis de concevoir le scanner dédié au cerveau humain avec la meilleure résolution spatiale capable d’observer des lésions de 1,25 mm, une résolution deux fois meilleure que celle que l'on retrouve dans le scanner le plus performant existant à l'heure actuelle. Ces résultats exceptionnels consolident la position de l’UdeS parmi les leaders internationaux dans le domaine.

Pr Réjean Fontaine

Visionner la vidéo 15 ans d'innovation : la résolution spatiale portant sur la technologie développée.

L’évolution de ces travaux a mis la table à d’autres travaux d’envergure dont le futur repose sur l’évolution des semiconducteurs. À titre d’exemple, l’Université de Sherbrooke développe actuellement une toute nouvelle technologie d’imagerie X 2D (radiographie) et 3D (tomodensitométrie). L’objectif est de mesurer le temps que met un photon X à quitter la source et à se rendre aux détecteurs après avoir traversé le corps du patient.

Des défis immenses sont liés à ces développements, dont la faible énergie des photons X comparativement aux photons générés en TEP, mais également la quantité impressionnante de données générées qui peut atteindre 120 TeraBytes par secondes pour une plaque de 30 x 30 cm², soit l’équivalent de 120 disques durs retrouvés couramment dans nos ordinateurs portables.

Les semiconducteurs seront mis à profit pour simultanément détecter, identifier le moment d’arriver, compter et caractériser chacun de ces photons en temps réel grâce à des algorithmes intelligents. Ils devront simultanément réaliser des opérations analogiques, numériques basées sur des algorithmes mathématiques simples, mais aussi faisant intervenir des méthodes basées sur de l’intelligence artificielle.

La très grande quantité de données à traiter exige d’embarquer tout ce traitement sur des puces spécialisées afin de surmonter les contraintes et atteindre l'objectif visé.

Des collaborations étroites
Les activités de recherche en imagerie médicale du professeur Fontaine sont rendues possibles grâce à des collaborations étroites avec d’autres personnes chercheuses, dont Audrey Corbeil Therrien, Marc-André Tétreault et Yves Bérubé-Lauzière, de la Faculté de génie, ainsi qu'avec le professeur Roger Lecomte, de la Faculté de médecine et des sciences de la santé et du Centre de recherche du CHUS.