Production des rayons X en imagerie par projection et en scanographie

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1 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie D. Régent, D. Mndry, V. Croise-Lurent,. Oliver, F. Jusset, V. Lombrd Le tube rdiogène reste le fcteur limitnt dns les techniques d imgerie roentgéniennes exigentes : ngiogrphies et rdiologie interventionnelle, scnogrphie vec rpport signl sur bruit (résolution en contrste) élevé, en prticulier chez les sujets en surpoids. L optimistion de l qulité d imge et l réduction des doses «dns les limites du risonnble» nécessitent une bonne compréhension du rôle des différents prmètres : intensité du cournt tube (m), différence de potentiel ux bornes du tube (kvp), durée des expositions (s) dns les composnts géométriques (flous géométrique, cinétique, de détection, morphologique) et photogrphiques (contrste, densité) de l imge, en scnner comme en rdiogrphie pr projection. L technologie des tubes rdiogènes beucoup évolué, dns l discrétion méditique, u cours des dernières décennies, en prticulier pour répondre ux exigences croissntes du scnner (cquisitions multiphsiques vec reconstruction «en temps réel», ou presque, etc. ; grndes longueurs des segments explorés). Les crctéristiques significtives des tubes se sont modifiées ; l cpcité de dissiption clorifique de l ensemble tube gine est beucoup plus importnte en scnogrphie que l puissnce des foyers du tube ; les technologies utilisées (dimètre, msse et composition de l node, enceintes métl cérmique, modlités de dissiption thermique pr ryonnement et pr convection, etc.) sont devenues des critères essentiels de choix cr l performnce des mchines, u quotidien, est sous leur totle dépendnce. Il fut donc que les rdiologues fssent l effort de s investir dns ces domines techniques s ils veulent rester des interlocuteurs crédibles, cpbles d rgumenter des choix de mtériel sur des bses médicotechniques plutôt que médicoéconomiques (trop souvent devenues purement économiques). 0 Elsevier Msson SS. Tous droits réservés. Mots-clés : Ryons X ; Tubes à ryons X ; Scnogrphie technique ; Rdiogrphie pr projection technique Pln Générlités ses physiques de l production des ryons X en rdiodignostic Tubes rdiogènes Crctères générux Enceinte ou mpoule de verre Cthode 6 Principe du foyer linéire 7 node Tubes à effet de grille Cournt de sturtion Effet de tlon de l node Gine et câbles hute tension Crctéristiques et bques de chrges des tubes à ryons X Tubes à ryons X métl/cérmique Ryonnement extrfocl llongement de l durée de vie des tubes rdiogènes et ccroissement de l cpcité clorifique mximle des tubes rdiogènes Intensité du fisceu de ryons X 6 Filtrtion dditionnelle des tubes rdiogènes 6 Collimtion du fisceu de ryons X 6 Tubes rdiogènes en scnogrphie 6 Cpcité clorifique mximle des tubes en scnogrphie 8 Cpcité de dissiption thermique mximle des ensembles gine tube système de refroidissement en scnogrphie 8 Conclusion 0 Générlités L production des ryons X reste un sujet technologique de l plus hute importnce dns les deux grnds domines d ppliction de l rdiologie «roentgénienne» que sont : l imgerie pr projection, qu elle soit rdiogrphique (clichés stndrd), rdioscopique télévisée (en prticulier pour les gestes rdioguidés en rdiologie et en crdiologie interventionnelle) ou sériogrphique (ngiogrphie numérisée et imgerie volumique pr cquisition rottoire). À l heure ctuelle, toutes ces techniques sont totlement numérisées, quel que soit le système de détection (écrns rdioluminescents à mémoire [ERLM] ou «plques phosphore» ; mplificteurs de luminnce de plus en plus remplcés pr les cpteurs plns dynmiques), mis l qulité d imge reste totlement dépendnte de l Volume 8 > n > vril 0

2 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie mîtrise du contrste pr le choix judicieux des prmètres d exposition (en prticulier le kilovoltge mis ussi l limittion du ryonnement diffusé) et de l résolution sptile pr l utilistion déqute du petit foyer des tubes rdiogènes, lorsque cel est possible. L rdioprotection est églement directement dépendnte d une utilistion rtionnelle et risonnée des prmètres d exposition, permettnt de résoudre u mieux les compromis nécessires entre dose délivrée et qulité d imge ; l imgerie scnogrphique dns lquelle l production des ryons X reste le seul fcteur limitnt l longueur et/ou l répétition des séquences d cquisition dns les explortions multiphsiques, en dépit de l réduction des doses nécessires rendue possible pr les techniques récentes et à venir de reconstruction pr itértions. Il s git de limites physiques directement liées u mécnisme de production des ryons X et à l inévitble production mssive de chleur qui lui est ssociée. C est donc, à l heure ctuelle, l cpcité de dissiption thermique de l ensemble «tube rdiogène gine systèmes de refroidissement» qui définit les possibilités exctes d cquisition scnogrphique dns les circonstnces les plus exigentes (explortions multiphsiques de segments corporels de grnde longueur, même vec un pitch élevé ou plus encore explortions multiphsiques de segments corporels reltivement courts mis vec des cquisitions «chevuchées» [pitch < ] pour obtenir un rpport signl sur bruit élevé [explortions scnogrphiques crdiques et coronires en prticulier]). Les progrès rélisés dns les systèmes de détection, en prticulier les ERLM et les cpteurs plns pour l imgerie pr projection, l méliortion des performnces des cristux des détecteurs et le développement d lgorithmes de reconstruction beucoup plus performnts (reconstruction itértive) en scnogrphie ont diminué, prfois de fçon mssive, les exigences en mtière de rditions ionisntes tout en mintennt, lorsque l on respecte des conditions de rélistion risonnbles des exmens, une qulité d imge cceptble sur le pln dignostique. Il n en demeure ps moins que ces résultts optimisés et dptés ux circonstnces restent totlement dépendnts d une utilistion judicieuse des prmètres d exposition qui nécessite donc une prfite mîtrise des modlités de fonctionnement du tube rdiogène et des dispositifs qui lui sont nnexés. L rdioprotection est prticulièrement importnte lors des exmens scnogrphiques chez l enfnt et l dulte jeune, en prticulier l femme en âge de procréer. L dpttion des prmètres à l morphologie des ptients (indice de msse corporelle++) et l optimistion du rpport signl sur bruit en fonction du contrste propre des structures rdiogrphiées sont les principes de bse d une dpttion judicieuse des prmètres de l exposition sns compromettre l qulité dignostique de l exmen. ses physiques de l production des ryons X en rdiodignostic L différence de potentiel entre cthode (filment) et node est réglée pr le choix du kilovoltge (kv). L énergie cinétique cquise pr les électrons dns le chmp électrique cthode node correspond à E = ev (e étnt l chrge électrique d un électron qui est une constnte, égle à, C et V l différence de potentiel cthode node). Rppelons que, si l différence de potentiel cthode node est exprimée pr l vleur de pic du kilovoltge (kvp) dns l rélité, le kilovoltge vrie en fonction de l qulité du redressement du cournt électrique limentnt le tube. Seule une petite frction des électrons est ccélérée pr le chmp électrique mximl ; pour celle-ci, l énergie cinétique des électrons exprimée en kev est numériquement identique u kvp (pour une différence de potentiel [DDP] de 00 kvp, cette frction des électrons cquiert une énergie cinétique de 00 kev) ; le reste des électrons cquiert une énergie cinétique inférieure à 00 kev et l énergie cinétique moyenne des électrons trversnt le tube pour kvp de 00 est de l ordre de 70 kev. Les photons X «utiles» pour le rdiodignostic (rdiogrphie pr projection et scnogrphie) correspondent à des énergies s étlnt de 0 à 0 kev. Ils sont produits pr deux mécnismes. Le mécnisme le plus importnt, quntittivement et qulittivement est le freinge (remstrhlung) qui correspond ux interctions entre les électrons ccélérés pr le chmp électrique élevé créé entre le filment et l node et les noyux des tomes du métl lourd constitunt l node. Le second mécnisme de production des ryons X dns l cible nodique correspond u ryonnement dit «crctéristique» qui résulte d interctions entre les électrons ccélérés pr le chmp électrique créé entre cthode et node et les électrons des couches orbitires des tomes du métl constitunt l node. Ce second mécnisme de production des photons X est souvent désigné sous le terme de phénomène de collision. Tubes rdiogènes Crctères générux [ ] Les tubes rdiogènes sont des convertisseurs d énergie qui consomment de l énergie électrique pour produire des rditions électromgnétiques de longueurs d onde (et d énergie) vriées. Les plus énergétiques des ryonnements produits (ryons X) ne représentent que % de l énergie électrique consommée ; les 99 % restnts sont des rditions de grnde longueur, en qusitotlité du ryonnement infrrouge, c est-à-dire de l chleur. Les ryons X sont produits pr conversion d énergie qund un fisceu d électrons ccélérés à grnde vitesse dns un chmp électrique est soudinement décéléré dns l cible inclinée, constituée de métl lourd (de numéro tomique Z élevé), d un tube à ryons X. Le tube à ryons X clssique est constitué d une enveloppe de verre Pyrex à l intérieur de lquelle est créé un vide le plus complet possible. Le tube contient deux électrodes (ce qui lui confère les propriétés d une diode). Ces électrodes sont disposées de telle sorte que les électrons produits à l cthode (pôle négtif ou filment) peuvent être ccélérés pr une très hute différence de potentiel vers l node (électrode positive ou cible) (Fig. ). Enceinte ou mpoule de verre Il est nécessire de souder hermétiquement les électrodes métlliques à l mpoule de verre du tube à ryons X et de préserver le vide, mlgré les très importntes et rpides vritions thermiques uxquelles ces mtériux sont soumis dns le tube en fonctionnement. Si du gz pénétrit à l intérieur du tube, les électrons ccélérés vers l node (cible) entrerient en collision vec les molécules de ce gz, ce qui leur ferit perdre de l énergie cinétique et surtout provoquerit l formtion d électrons secondires éjectés des molécules de gz pr ionistion. Pr ce processus, des électrons supplémentires serient ccélérés vers l node. Évidemment cette production d électrons secondires ne pourrit ps être contrôlée. Leur présence entrînerit des vritions dns le nombre et, de fçon plus déterminnte, dns l vitesse des électrons prvennt sur l cible. Ceci cuserit de grndes vritions dns l intensité du cournt tube et dns l énergie des ryons X produits. L objectif du vide dns les tubes à ryons X est de permettre un contrôle précis et sépré du nombre et de l vitesse des électrons ccélérés. L forme et l tille des tubes à ryons X sont spécilement déterminés pour empêcher l formtion d rcs électriques entre les électrodes. Les fils de connexion doivent être soudés ux prois de l mpoule en verre du tube. Pendnt le fonctionnement du tube rdiogène, le verre et les fils de connexion sont chuffés à des tempértures très élevées. En rison des différences de leur(s) coefficient(s) de dilttion linéire, l pluprt des métux se diltent plus que le verre lorsqu ils sont chuffés. Ces différences dns les coefficients de dilttion linéire pourrient entrîner l rupture des soudures verre métl, ce qui détruirit le vide dns le tube, si

3 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie Figure. Tube rdiogène à node fixe. L différence de potentiel créée entre l cthode (filment + pièce de concentrtion) et l node ccélère les électrons produits pr effet thermo-ionique en chuffnt le filment. Le fisceu électronique insi produit (coloré en vert) est freiné dns une cible de tungstène (colorée en rouge) sertie dns un bloc de cuivre (coloré en gris), qui permet d évcuer l chleur pr conduction.. Pièce de concentrtion ;. filment ;. cthode ;. tube ; 5. node (cuivre) ; 6. cible nodique tungstène W (Z = 7). 5 6 Figure. Tube rdiogène à node tournnte de 0 mm de dimètre, en grphite.. Soudures verre métl sur le versnt cthodique ;. cthode, ensemble filments pièce de concentrtion ;. node tournnte dont l piste en tungstène (cible) est dépolie, sous l ction de bombrdement électronique ;. rotor situé à proximité immédite de l proi de verre u niveu du col de l mpoule, pour limiter u mximum l distnce séprnt rotor et sttor, fvorisnt insi l ppliction des chmps électromgnétiques. des précutions prticulières n étient ps prises. Pour cette rison, on utilise générlement des lliges métlliques spéciux ynt pproximtivement le même coefficient de dilttion thermique que le verre Pyrex (Fig. ). Cthode Le pôle négtif du tube à ryons X constitue l cthode. En mtière de tube à ryons X, les termes de cthode et de filment peuvent être employés de fçon interchngeble. En plus du filment qui est l source des électrons pour le tube à ryons X, l cthode comporte deux utres éléments : les fils de connexion du cournt de chuffge du filment (cournt de bs voltge, de l ordre de 0 V, et d intensité élevée, entre et 5 ) et l pièce de concentrtion. Le nombre de photons X produits dépend totlement du nombre d électrons qui trversent le tube, du filment à l cible (node). L intensité du cournt tube, mesurée en millimpères (m), trduit le nombre d électrons trversnt le tube, à chque seconde. Il est importnt de comprendre d où viennent ces électrons et de se souvenir que le nombre d électrons détermine l intensité du cournt tube. Pr exemple, dns une unité de temps donnée, un cournt tube de 00 m est produit pr deux fois plus d électrons qu un cournt de 00 m et un cournt tube de 00 m produit deux fois plus de ryons X qu un cournt tube de 00 m. Filment Le filment est constitué d un fil de tungstène, d environ 0, mm de dimètre, torsdé en une hélice verticle d environ 0, cm de dimètre et cm ou moins de longueur. Qund le cournt de chuffge trverse ce fil de tungstène (Fig. ), il provoque son élévtion thermique. Lorsqu un métl est chuffé, ses tomes bsorbent l énergie thermique et certins de ses électrons (les plus périphériques, dont l énergie de liison est l plus fible) cquièrent suffismment d énergie pour leur permettre de se déplcer à une petite distnce de l surfce du métl (normlement les électrons peuvent se déplcer à l intérieur du métl mis ne peuvent ps s en échpper). L échppement de ces électrons correspond u processus d émission thermo-ionique qui peut être défini comme l émission d électrons résultnt d une bsorption d énergie thermique. Le nuge électronique entournt le filment produit pr émission thermo-ionique été ppelé «effet Edison». Un filment de tungstène pur doit être chuffé à une tempérture d u moins 00 C pour émettre un nombre suffisnt d électrons (thermions). Le tungstène n est ps un mtériu ussi efficient que d utres constitunts comme des lliges de tungstène utilisés dns certins tubes électroniques. Il est cependnt choisi pour les tubes à ryons X cr il peut être étiré en un fil fin mis solide ; il un point de fusion élevé (70 C) et n qu une fible tendnce à se vporiser ; ce qui confère u filment une durée de vie risonnblement longue. Les électrons émis pr le filment de tungstène forment un petit nuge dns l environnement immédit du filment. Cet ms de chrges négtives formé pr les électrons est ppelé chrge d espce. Ce nuge de chrge négtive tend à empêcher d utres électrons d être émis pr le filment tnt qu ils n ont ps cquis une énergie thermique suffisnte pour surpsser les forces d ttrction du chmp électrique créé pr l chrge d espce. L tendnce de l chrge d espce à limiter l émission d un plus grnd nombre d électrons pr le filment est ppelée «effet de chrge d espce». Qund les électrons quittent le filment, l perte de ces chrges négtives fit que le filment cquiert une chrge positive. Le filment ttire de ce fit quelques-uns des électrons émis qui reviennent lors vers leur origine. Lorsqu un filment est chuffé à s tempérture d émission, un étt d équilibre est rpidement tteint. À l équilibre, le nombre d électrons revennt u filment est égl u nombre d électrons émis. En conséquence, le nombre d électrons constitunt l chrge d espce demeure constnt, tndis que le nombre réel d électrons émis est totlement déterminé pr l tempérture du filment. Les intensités de cournt tube élevées qui peuvent être produites pr l émission thermo-ionique sont rendues possibles prce qu un très grnd nombre d électrons peut être ccéléré pr le chmp électrique créé entre l cthode (électrode négtive) et l node (électrode positive) du tube à ryons X. Le nombre d électrons intéressés est énorme. L unité d intensité du cournt électrique est l mpère () qui peut être défini comme le niveu de «flux» tteint lorsqu une chrge de Coulomb d électricité

4 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie Figure. Filments et pièce de concentrtion ( à C). Il existe générlement deux filments de tilles différentes, correspondnt u petit et u grnd foyer du tube rdiogène. Les deux filments sont plcés u sein de l pièce de concentrtion ou pièce de foclistion, qui ssure le clibrge précis en huteur et en lrgeur du fisceu électronique émis.. Filment du petit foyer ;. pièces de foclistion ;. filment du gros foyer ;. bloc cthodique. C trverse un conducteur en seconde. Le Coulomb est l équivlent de l chrge électrique trnsportée pr 6,5 0 8 électrons trversnt le tube, de l cthode à l node. Donc un cournt tube de 00 m (0, ) peut être considéré comme un flux de 6,5 0 7 électrons pssnt de l cthode à l node en seconde. Le cournt électronique trversnt le tube à ryons X est unidirectionnel (toujours de l cthode vers l node). Pièce de concentrtion ou pièce de foclistion En rison des forces de répulsion mutuelles et du grnd nombre d électrons, le flux électronique à une tendnce à s étler et à s élrgir ce qui entrîne le bombrdement d une surfce de tille incceptble sur l node du tube à ryons X. L structure qui empêche ce phénomène est ppelée pièce de concentrtion ou pièce de foclistion de l cthode ; elle entoure le filment. Lorsqu un tube à ryons X fonctionne, l pièce de foclistion est mintenue u même potentiel négtif que le filment. L pièce de concentrtion est usinée de telle sorte que les fisceux électroniques émis pr le filment convergent sur l cible nodique vec une tille et une forme prfitement définies. L pièce de concentrtion est générlement constituée de nickel. Elle peut être portée à un potentiel plus négtif que celui du filment ; elle est lors dite «biisée» et permet de diminuer l tille du foyer thermique (foyer vrible) (Fig. ). Les tubes à ryons X clssiques sont équipés d un filment unique ou plus hbituellement d un double filment. Chque filment est constitué d une hélice de fil métllique ; ils sont instllés soit côte à côte, soit l un en dessous de l utre, vec toujours un grnd filment et un filment plus petit. Il est importnt de comprendre qu on ne peut employer qu un seul filment pour une exposition donnée ; le plus gros filment étnt utilisé pour les expositions les plus importntes. Le filment chuffé est incndescent et peut être fcilement observé en regrdnt l fenêtre de sortie d un tube à ryons X, si l on retire le filtre dditionnel.

5 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie D utres dispositions des filments ont pu être employées dns des tubes à ryons X hutement spécilisés ; des tubes vec trois filments (triple foyer) ou des tubes pour l ngiogrphie stéréoscopique dns lesquels on eu recours à des filments éloignés de plusieurs centimètres, ce qui permettit des expositions Figure. Modultion de l tille du foyer pr l pièce de concentrtion. En portnt l pièce de foclistion à un potentiel négtif, on diminue l reltive dispersion des électrons émis pr le filment et on peut insi moduler l tille de l surfce bombrdée sur l cible (foyer thermique).. Pièce de concentrtion ;. grnd foyer ;. node ;. petit foyer. lternées séprées de /0 e de seconde vec chcun des deux filments et l cquisition d imges pouvnt lors être utilisées en vision stéréoscopique. L vporistion du métl du filment, qund il est chuffé, rccourcit l durée de fonctionnement du tube à ryons X cr le filment peut se rompre lorsqu il est devenu trop fin. Il fut donc limiter u strict nécessire l durée d échuffement du filment. Il existe pour ce fire des dispositifs permettnt de grder en stndby l intensité du cournt de chuffge du filment à une vleur fible, de l ordre de cinq m ; lorsque les expositions nécessitnt des cournts tubes plus élevés sont souhitées, un dispositif utomtique permet de booster le cournt de chuffge du filment pour l mener de l vleur du stnd-by à l vleur requise pour l durée précise de l exposition. Le tungstène vporisé à prtir du filment (et à un moindre degré de l node) se dépose sous forme d une couche extrêmement fine sur l surfce interne de l mpoule de verre du tube à ryons X. Cel provoque une colortion qui devient de plus en plus intense lorsque le tube vieillit ; il cquiert lors une teinte «bronzée» (Fig. 5 à C). Cette pellicule de tungstène deux conséquences : elle entrîne une filtrtion du fisceu de ryons X produit, qui modifie progressivement s qulité en le «durcissnt». D utre prt, l présence de métl sur le verre ugmente le risque d rc Figure 5. Vieillissement du tube à ryons X.. L teinte «bronzée» de l proi de l mpoule est l trduction de s «métllistion» pr dépôt de prticules de poudre de tungstène.. L métllistion peut être due ux filments ; les prticules métlliques se déposent lors préférentiellement à l plomb du bloc cthodique (flèche). C. L métllistion peut être due à l node ; l zone «bronzée» est beucoup plus étendue et de colortion plus dense. D. Les rcs électriques entre les prois de verre métllisées et l node ou le filment peuvent fissurer le verre et détruire le vide (flèche). C D 5

6 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie Figure 6. Les tubes à enceinte métllique et jonctions en cérmique ont une durée de vie nettement plus longue, en limitnt les dépôts métlliques sur les prois (, ). Le fisceu de ryons X émis ne subit ucune modifiction (filtrtion et durcissement pr l métllistion du verre de l fenêtre de sortie, vec les enceintes en verre). électrique entre le verre «métllisé» et les électrodes, lorsqu on utilise des kilovoltges élevés. Ceci peut entrîner une perfortion du tube (Fig. 5D). Une des risons pour lesquelles on développé des tubes à ryons X vec des enceintes métlliques u lieu d mpoules de verre été l diminution des conséquences des dépôts de tungstène sur les prois du tube (Fig. 6). Principe du foyer linéire Le foyer thermique correspond à l surfce de l cible de tungstène nodique qui est soumise u bombrdement des électrons issus de l cthode et à l profondeur de pénétrtion des électrons dns cette cible nodique. L mjeure prtie de l énergie cinétique de ces électrons est convertie en chleur, vec moins de % convertie en ryons X. Comme l chleur est réprtie de fçon uniforme sur toute l surfce du foyer thermique, un grnd foyer permet l ccumultion de quntités de chleur plus importntes vnt qu un risque d endommger le tungstène de l cible nodique ne survienne. Le point de fusion du tungstène est d environ 70 C mis il est préférble de rester à une tempérture inférieure à 000 C. L nécessité d un gros foyer thermique pour utoriser une plus importnte chrge thermique est en contrdiction vec l nécessité d un petit foyer optique pour fournir des imges rdiogrphiques détillées. Cette difficulté été résolue pr le développement dès 98 du principe du foyer linéire (Fig. 7). L tille et l forme du foyer thermique sont déterminées pr l tille et l forme du fisceu électronique lorsqu il frppe l node. L tille et l forme du fisceu électronique sont définies pr : les dimensions (dimètre et longueur) de l hélice du filment de tungstène ; l qulité de l pièce de concentrtion insi que pr l position du filment dns cette pièce. Le fisceu électronique bombrde l cible dont l surfce est inclinée de telle sorte qu elle forme un ngle lph vec le pln perpendiculire u fisceu incident, ppelé «ngle d node». Cet ngle d node vrie, en fonction de l destintion du tube, entre 6 et 0 (voire 0, en mmmogrphie). L ngle d node détermine l surfce du foyer thermique lorsqu on l observe dns l direction de l xe de sortie du fisceu de photons X émergent du tube ; cette projection du foyer thermique dns l xe de sortie du fisceu émergent constitue le foyer optique dont les dimensions déterminent directement l importnce du flou géométrique et donc l résolution sptile des imges. L tille du foyer optique est directement reliée u sinus de l ngle d node : puisque sinus 0 égle 0, et sinus 6,5 égle 0,8, un ngle d node de 6,5 produit un plus petit foyer optique qu un ngle d node de 0, pour un fisceu électronique de huteur (correspondnt à l longueur du filment) donnée. Donc plus l ngle d node est petit, plus l tille du foyer optique est réduite, ou, pour une tille de foyer optique (donc un niveu de résolution sptile) donnée, le foyer thermique (donc l puissnce disponible) est d utnt plus grnd que l ngle d node est petit (Fig. 8, 9). Mis l réduction de l ngle d node réduit l surfce du chmp couvert à une distnce focle (distnce foyer optique du tube pln du système de détection) donnée. On peut fbriquer des tubes vec un foyer de 0, mm et un ngle d node de seulement 6, ce qui permet d voir un foyer de dissiption thermique de très grnde tille pour un foyer optique de tille très réduite ; on peut lors produire des imges de très hute résolution sptile. De tels tubes peuvent être utilisés lorsque les chmps explorés sont réduits, pr exemple en mmmogrphie, en ngiogrphie crdique et coronire et en scnogrphie. Pour des risons prtiques, sur des instlltions multiusges (tbles télécommndées) trvillnt vec des distnces focles de l ordre de 0 cm, et prce que l on souhite conserver des chmps d explortion de 6 cm, ussi bien pour le petit foyer que pour le grnd foyer du tube, l ngle d node ne peut être réduit en deçà de 5. Cette limittion du chmp est dictée pr l effet de tlon de l node qui définit le chmp couvert mximl à une distnce focle donnée. L tille des foyers optiques courmment utilisés en rdiogrphie pr projection sur des instlltions multiusges est de l ordre de,5 mm pour les gros foyers et 0,6 à mm pour les petits foyers. Pour des instlltions dédiées, on peut dopter un petit foyer de 0, mm surtout si l on veut réliser des clichés en grndissement (rdiogrphies ostéorticulires des extrémités des membres, rdiogrphies crniofciles, en prticulier en orthodontie). Il fut insister sur le fit que l rdiogrphie en grndissement impose le recours à un foyer de tille réduite (inférieure ou égle à mm) en plus des modifictions positionnelles du sujet pr rpport à l distnce foyer système de détection. Le but de l grndissement est en effet non ps d voir des imges grndies mis d ccroître l visibilité des petits détils pr l ugmenttion de l résolution sptile, ce qui ne peut être obtenu que pr l utilistion conjointe d un petit foyer et d un rpport d grndissement élevé. 6

7 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie b Figure 7. Principe du foyer linéire. Le foyer thermique pour surfce l projection de l section du fisceu électronique () sur l piste nodique (foyer réel [] ). S troisième dimension est l profondeur de pénétrtion des électrons dns l llige tungstène rhénium de l cible. Le foyer optique (5) est l projection du foyer thermique dns l xe de sortie du fisceu (c est-à-dire dns l direction du ryon centrl (6) ou ryon directeur). L tille du foyer optique est liée à l huteur du fisceu électronique b pr l reltion b sin lph (lph étnt l ngle d node ( [] ) et b ( étnt le dimètre de l hélice du filment).. Pln de l node. b cos α α 5 b sin α = env. 6 φ Figure 8. Principe du foyer linéire ppliqué à une node tournnte (, ). L node est biseutée ; l ngle du biseu (propre à chcun des foyers) détermine l tille du foyer thermique, donc l puissnce de ce foyer, c està-dire s cpcité à fournir des photons X pr conversion d énergie électrique dns un temps égl, pr convention à /0 e de seconde.. Cthode ;. longueur du foyer thermique ;. ngle d node ;. longueur réelle du foyer optique. node On utilisé deux types d node (électrode positive) dns l évolution des tubes à ryons X : node fixe et node tournnte. nodes fixes L node fixe d un tube rdiogène est constituée d une petite plque de tungstène de à mm d épisseur, qui est sertie dns une grosse msse de cuivre. L plque de tungstène est en forme de crré, d un peu plus de cm de côté. L ngle d node est générlement de 5 à 0 (Fig. 0). Le tungstène est le métl choisi pour l cible pour plusieurs risons. Il un numéro tomique élevé (Z = 7) qui le rend plus efficient pour l production des ryons X. De plus en rison de son point de fusion très élevé, il peut supporter les élévtions thermiques produites dns le tube en fonctionnement. L pluprt des métux fondent entre 00 et 500 C tndis que le tungstène ne fond qu à 70 C. Le tungstène une cpcité d bsorption de l chleur risonnble et permet l dissiption rpide de l chleur pr ryonnement à prtir du foyer thermique. L plque de tungstène, plutôt petite, doit être sertie dns une msse de cuivre plus volumineuse pour fciliter l dissiption de l chleur pr conduction. En dépit de ses bonnes crctéristiques thermiques, le tungstène ne peut ps supporter l ccumultion de chleur due ux expositions répétées. Le cuivre est un meilleur conducteur de l chleur que le tungstène ; pour cette rison, l volumineuse msse de cuivre nodique un rôle essentiel pour ugmenter l cpcité clorifique mximle de l node et pour ccélérer s vitesse de refroidissement. 7

8 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie Électrons Électrons Électrons α = 0 α = 5 α = 0 Figure 9. Reltion entre l ngle d node, l tille du foyer thermique (puissnce du foyer) et l tille du foyer optique (résolution sptile). Un foyer optique de,5 mm correspond à un foyer thermique de plus en plus étendu (et donc de plus en plus puissnt, u fur et à mesure de l réduction de l ngle d node ; l puissnce double lorsqu on psse de 0 à 0 pour l ngle d node. Mis vec un ngle d node de 0, on ne couvre plus un détecteur (film ou cpteur pln) de 0 cm à une distnce focle de 0 cm (distnce focle hbituelle sur les tbles télécommndées multiusges).. ngle d node 0 ; sin 0 = 0,.. ngle d node 6 ; sin 6 = 0,6. C. ngle d node 0 ; sin 0 = 0,7). C 5 Figure 0. Schém d un tube rdiogène à node fixe. Le fisceu électronique clibré pr l pièce de concentrtion frppe l cible (plque de tungstène, bon pouvoir de ryonnement de l chleur et point de fusion élevé : 70 C) qui est sertie dns un gros bloc de cuivre (bon conducteur de l chleur mis point de fusion 070 C).. Enceinte (mpoule) de verre ;. cthode (filment) ;. node en cuivre ;. cible en tungstène W = L surfce de l plque de tungstène est beucoup plus étendue que l cible bombrdée pr le fisceu électronique. Ceci est nécessire cr le point de fusion du cuivre est reltivement bs (070 C). Une seule exposition pourrit élever l tempérture de l zone bombrdée de l cible de tungstène de 000 C ou plus. Cette tempérture est tteinte pr tout métl situé dns l environnement immédit de l cible. Si l plque de tungstène n étit ps suffismment grnde pour permettre un certin refroidissement utour de l cible, il se produirit une fusion du cuivre sur les bords de l plque. Tous les métux se diltent qund ils sont chuffés mis ils se diltent de fçon vrible. L jonction entre l plque de tungstène et l node de cuivre pose donc des problèmes puisque le tungstène et le cuivre ont les coefficients de dilttion linéire différents. Si l soudure entre le cuivre et le tungstène n est ps correctement fite, l pièce de tungstène peut se désolidriser du cuivre de l node. N : stricto sensu, il fudrit distinguer l node, pôle positif du chmp électrique crée pr l différence de potentiel entre ellemême et l cthode (filment), et l nticthode, zone de métl lourd bombrdée pr le flux électronique nodes tournntes vec le développement de générteurs cpbles de délivrer des puissnces plus importntes, le fcteur limitnt est devenu le tube à ryons X. L possibilité pour le tube rdiogène d tteindre des débits élevés de photons X est limitée pr l quntité de chleur Imge rdinte Figure. Schém d un tube rdiogène à node tournnte.. Proi du tube verre Pyrex métl (titne) ;. xe de rottion, node en porte-àfux ;. node «composite» ou cérmique ou grphite ; piste en llige de tungstène+++ ;. roulements à billes ou lubrifint métllique fluide ; 5. sttor ; 6. rotor ; 7. filment cthode. générée u niveu de l node. L objectif de l node tournnte est d ccroître l cpcité du tube à résister à l chleur engendrée pr les expositions longues. L node du tube à node tournnte est constituée d un gros disque de tungstène ou d un llige de tungstène, qui tourne théoriquement à une vitesse de 000 tr/min lorsqu une exposition est rélisée. En prtique l node n tteint jmis une telle vitesse de rottion cr il y des contrintes mécniques entre le rotor et les roulements à billes qui font que l vitesse réellement tteinte est de l ordre de 600 tr/min. Cette vitesse de rottion est liée à l fréquence du cournt lterntif et peut être plus élevée (600 tr/min, lorsque le cournt est délivré sous une fréquence de 60 Hz comme en mérique du Nord) (Fig. ). Le disque de tungstène est biseuté et l ngle de ce biseu vrie de 6 (mmmogrphes, scnners) à 0 (tbles multiusges). Le biseutge permet d ppliquer le principe du foyer linéire. L objectif de l node tournnte est d étler l chleur produite pendnt l exposition sur une zone plus étendue que l simple cible nodique (Fig. ). Si l on suppose que le filment et l pièce de 8

9 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie b b c L =, D Figure. L node tournnte ugmente l surfce du foyer thermique proportionnellement à l circonférence de l cible, donc u dimètre D (ou u ryon r) moyen de l piste bombrdée ( D ou r). : dimètre moyen de l piste D ; b : surfce du foyer thermique S ; c : piste développée L. concentrtion d un tube à ryons X produisent un fisceu électronique clibré de 7 mm de huteur (longueur du filment) et de mm de lrgeur (dimètre de l spirle d enroulement du filment), l zone bombrdée pr les électrons est représentée pr un rectngle de mm (surfce du foyer thermique). Si le biseutge est de 6,5, l tille pprente du foyer dns l xe du ryon directeur du fisceu de ryons X émis ou foyer optique est de 7 sin 6,5 = mm ; on insi un foyer optique de mm. Si l node étit sttionnire, l chrge thermique serit délivrée dns ce petit foyer de mm sur l cible. Si l cible est une node tournnte vec une vitesse de rottion de 000 tr/min, les électrons vont bombrder une zone constmment différente de l cible. L surfce totle de l zone de tungstène bombrdée pr le fisceu électronique est lors représentée pr une bnde de 7 mm de lrge, étendue sur toute l circonférence de l zone biseutée du disque de tungstène. L tille effective du foyer thermique v bien sûr rester l même que si l node étit fixe. À une vitesse de 000 tr/min, une zone donnée de l cible du disque de tungstène v se trouver soumise u flux électronique seulement une fois tous les /50 e de seconde et le reste du temps l chleur engendrée pendnt l exposition peut être dissipée pr ryonnement. Tous les /50 e de seconde, l circonférence complète de l cible été exposée u flux électronique. L comprison entre l surfce totle et l surfce instntnée de l cible totle illustre les vntges mjeurs offerts pr l node tournnte. À chque instnt une zone de mm est bombrdée pr le fisceu électronique dns l exemple cité. Si on suppose que le ryon moyen de l zone bombrdée du disque de tungstène est de 0 mm, ce qui représente une vleur clssique, l circonférence du disque à ce ryon est de 5 mm (c = r =, 0 = 5). Le foyer thermique est lors représenté pr le produit de l huteur du fisceu électronique (7 mm) pr le dimètre moyen du disque soit 7 5 = 757 mm. Même si l zone totle de chrge thermique été multipliée pr un fcteur d environ 5 ( versus 757 mm ), l tille pprente ou effective du foyer optique est demeurée l même. Le dimètre du disque de tungstène détermine l longueur totle de l trce de l cible ; et cel ffecte bien évidemment l chrge thermique mximle permise sur l node. Les dimètres clssiques des nodes sont de l ordre de 75 à 00 ou à 5 mm, mis pour des pplictions prticulières, on fbrique des tubes à node de 50 et même 00 mm de dimètre, vec bien entendu l nécessité de prendre en chrge les contrintes mécniques insi créées. Pour ssurer l rottion de l node, certins problèmes mécniques doivent en effet être résolus cr l node est située à l intérieur du vide du tube. L énergie ssurnt l rottion de l node est fournie pr le chmp mgnétique produit pr un sttor qui entoure le col du tube à ryons X, à l extérieur de l enveloppe. Le chmp mgnétique produit pr les bobines du sttor induit un cournt dns les bobines de cuivre du rotor et ce cournt induit fournit l énergie pour fire tourner l ensemble de l node. L espce entre le rotor et le col du tube à ryons X doit être ussi réduit que possible pour ssurer le mximum d efficcité ux forces mgné- Figure. L xe de rottion de l node ne doit ps se dilter vec l chleur cr on risquerit le grippge des systèmes de rottion. Le segment d xe intermédiire est en molybdène, muvis conducteur thermique, pour isoler l node qui doit éliminer l chleur produite en son sein pr ryonnement.. Disque nodique ;. rotor ;. xe de rottion de l node ;. segment d xe intermédiire en molybdène ; 5. roulements à billes ou cylindres de glissement à rinure hélicoïdle. tiques délivrées pr le sttor. u début du développement des tubes à node tournnte, l durée de vie du tube étit courte en rison du mnque de résistnce des roulements à billes, sur lesquels est posé l xe de l node. En rison des forces de frottement, il étit nécessire de lubrifier les roulements à billes mis les lubrifints huileux hbituels ne pouvient ps être utilisés cr ils se vporisent dès qu ils sont chuffés et détruisent le vide du tube ; les lubrifints secs comme le grphite s usent en se voltilisnt sous forme de poudre qui détruit églement le vide. Le problème été résolu pr l emploi de lubrifints métlliques fluides (en prticulier l rgent) qui peuvent être utilisés dns un vide poussé. Dns les tubes à node tournnte modernes, les dispositifs permettnt l rottion de l node sont devenus un fcteur négligeble dns l durée de vie totle du tube. L dissiption thermique dns les tubes à node tournnte représente un problème supplémentire. L chleur engendrée dns le disque de tungstène solide est dissipée pr ryonnement à trvers le vide jusqu à l proi du tube et ensuite dns le bin d huile environnnt le tube, à l intérieur de l gine. Rppelons que, dns un tube à node fixe, l chleur est dissipée pr ryonnement et pr conduction dns l msse du cuivre nodique. Dns le tube à node tournnte, l bsorption de chleur pr l node n est ps souhitée cr l chleur bsorbée pr les roulements à billes de l node pourrit les fire dilter et provoquer un grippge. Pour cette rison, l tige qui unit le disque de tungstène u reste de l node est constituée de molybdène. Le molybdène un point de fusion élevé (600 C) et est un muvis conducteur de l chleur. Donc l tige de molybdène constitue une brrière thermique prtielle entre le disque de tungstène et les roulements à billes de l xe de rottion de l node (Fig. ). L longueur de l tige de tungstène est un utre point importnt à considérer. Lorsqu on ccroît l longueur de cette tige, l inertie du disque de tungstène ugmente (il s git en fit d un problème gyroscopique plus que d un problème d inertie) ; cel ugmente l sollicittion mécnique sur les roulements à billes. Il est donc souhitble de grder une tige ussi courte que possible. Ce problème est réduit dns les tubes métlliques modernes pr l substitution à une disposition en porte-à-fux de l node sur un plier unique, d un dispositif à double plier, chcun d entre eux supportnt une extrémité d un xe de rottion trnsnodique. Même si tous les fcteurs qui ffectent l rottion d un ensemble nodique reltivement lourd sont contrôlés de fçon optimle, 5 9

10 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie Figure 5. Disque nodique «composite» (compound). L cible bombrdée est bien sûr toujours composée d un llige tungstène rhénium. L couche sous-jcente est en tungstène, muvis conducteur de l chleur et point de fusion élevé. Pour limiter u mximum l msse totle de l node, l troisième couche utilise des métux plus légers (molybdène ou grphite).. Tungstène ;. llige tungstène rhénium ;. llige tungstène zirconium molybdène. Figure.. Crtéristions comprées d une cible nodique en tungstène à guche et d une cible nodique moins ncienne en llige tungstène rhénium à droite. L profondeur des fissures et les nfrctuosités de l surfce bombrdée sont sns ucune commune mesure.. Fusion loclisée d une node près «grippge» ynt bloqué l rottion. Le fisceu électronique frppnt l cible immobile entrîne s fusion loclisée en quelques secondes (flèche). l inertie demeure un problème. En rison de cette inertie, il y un court déli entre l ppliction du chmp électromgnétique à l node et le moment uquel le rotor tteint s vitesse de rottion ngulire mximle. Cette période vrie générlement de quelques dixièmes à seconde. Un circuit de sécurité est incorporé dns le circuit de production des ryons X, qui empêche qu une exposition ux ryons X ne soit déclenchée vnt que le rotor n it tteint s vitesse mximle. L durée de vie d un tube à node tournnte peut être limitée pr le dépolissge et l crtéristion de l surfce de l node exposée u fisceu électronique (Fig. ). Ces modifictions physiques sont le résultt de stress thermiques et elles ont pour conséquence de diminuer le débit de ryons X du tube. L diminution de l émission de ryons X résulte d une dispersion excessive des photons (une quntité de ryonnement plus importnte est dirigée en dehors des limites de l fenêtre de sortie des ryons X du tube) et de l ugmenttion de l bsorption des photons X dns l cible ellemême. L combinison de durées d exposition courtes et d une vitesse de rottion rpide entrîne des vritions très rpides de chuffge et de refroidissement de l surfce du disque nodique. L perte de chleur pr ryonnement à prtir de l surfce du disque survient cr il se produit une ugmenttion significtive de l tempérture dns l msse du disque de tungstène. Dns ces conditions, l dilttion thermique du métl à l surfce du disque est plus importnte que celle du métl situé sous l surfce. Cette sitution entrîne des contrintes telles qu elles provoquent une distorsion de l surfce de l cible du disque nodique. On montré qu un llige d environ 90 % de tungstène et 0 % de rhénium (un métl lourd vec une bonne cpcité d bsorption thermique) produit une node plus résistnte ux ltértions de surfce et possédnt une plus importnte cpcité thermique qu une node de tungstène pur. vec ces disques nodiques méliorés, l érosion de l piste nodique cessé d être un problème mjeur. L vitesse de rottion hbituelle d un tube fonctionnnt vec un cournt de 50 Hz vrie entre 600 et 000 tr/min. Si cette vitesse de rottion est ugmentée, l cpcité de l node à dissiper l chleur s ccroît cr une zone donnée de l cible est exposée u fisceu électronique durnt un temps plus court à chque tour de l node. En utilisnt des circuits propres (tripleur de fréquence), l vitesse de rottion de l node peut être élevée jusqu à 9000 tr/min, ce qui ccroît d utnt les sollicittions mécniques sur l node et son xe de rottion. Trois modifictions du tube ident à résoudre les problèmes ssociés à cette vitesse de rottion ccrue : l longueur de l tige nodique doit être réduite utnt que possible pour diminuer l inertie de l node ; le recours à un xe de rottion trnsnodique reposnt sur deux pliers plcés de prt et d utre de l node et ussi loin d elle que possible ; et enfin l inertie de l node doit être réduite en diminunt le poids de l node elle-même. Ceci est obtenu en utilisnt un disque nodique «composite» (compound) dns lequel l plus grnde prtie du disque est fite de molybdène (poids spécifique 0,) qui est beucoup plus léger que le tungstène (poids spécifique 9,). Une couche reltivement mince d llige tungstène rhénium est plquée sur le disque et sert de cible réelle pour le fisceu électronique (Fig. 5). Certins disques composites utilisent du crbone (grphite) u lieu de molybdène pour réduire encore plus l msse, donc l inertie. Le grphite ne conduit ps ussi bien l chleur que le molybdène, donc un disque à node en grphite v chuffer beucoup plus qu un disque de molybdène. Il y ussi quelques 0

11 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie un interrupteur pour déclencher et interrompre le cournt tube. Comme l pièce de concentrtion et le filment sont proches l un de l utre, l différence de potentiel nécessire pour interrompre le cournt tube n est ps très importnte. Pr exemple, pour obtenir un cournt pulsé vec un foyer de 0, mm et une différence de potentiel de 05 kv, une différence de potentiel de 500 V entre le filment et l pièce de concentrtion suffit. En gissnt sur l tension de polristion de l pièce de concentrtion, on peut modifier les dimensions du foyer thermique dns une ssez lrge mesure. On peut donc, vec un seul filment, réliser un tube à foyer vrible, donc de puissnce vrible, susceptible de diverses pplictions. Cournt de sturtion Figure 6. Disques nodiques ; petite tille : 70 à 00 mm ; rceu chirurgicl, slles de rdiologie conventionnelle «os thorx» ; grnde tille : 50 à 00 mm ; scnners, ngiogrphie. problèmes techniques ssociés vec le sertissge de l couche de tungstène rhénium sur le grphite. Un disque composite vec un substrt de molybdène un moment d inertie d environ 5 % moindre qu un disque de tungstène solide de même dimètre et de même cpcité clorifique. Une réduction supplémentire d u moins 50 % du moment d inertie peut être obtenue qund le molybdène est remplcé pr du grphite. Certins disques nodiques sont fbriqués vec des fentes ou des sillons sur l surfce de l cible. Cel permet u mtériel de l zone cible de se dilter sns produire les tensions mécniques qui sont observées dns un disque solide (Fig. 6). L fce postérieure du disque nodique peut être noircie vec un «corps noir» comme le crbone, pour fvoriser l dissiption thermique de l node pr ryonnement. Tubes à effet de grille [] Les tubes à ryons X conventionnels contiennent deux électrodes (cthode et node). Les commuttions nécessires pour déclencher et rrêter une exposition vec ces tubes doivent être cpbles de résister à des vritions très importntes de l différence de potentiel entre les électrodes. Un tube à effet de grille renferme son propre système de commuttion qui lui permet d être très rpidement mis sous tension et hors tension, comme cel peut être souhité dns les techniques d imgerie dynmique à résolution temporelle élevée. Une troisième électrode est utilisée dns le tube à grille pour contrôler le flux des électrons du filment vers l cible. Cette troisième électrode est constituée pr l pièce de concentrtion qui entoure le filment. L pièce de concentrtion contribue à focliser le flux électronique sur l cible. Comme les électrons sont chrgés négtivement, ils se repoussent les uns les utres lorsqu ils se déplcent vers l cible. L conséquence est que le fisceu électronique (cournt tube) s étle. L pièce de concentrtion est conformée pour contrecrrer cet élrgissement du fisceu électronique. Dns le tube à effet de grille, l pièce de concentrtion peut être portée à un potentiel électrique négtif pr rpport u filment. L différence de potentiel entre le filment et l grille produit un chmp électrique sur le trjet du fisceu électronique, qui repousse les électrons. Si cette différence de potentiel est suffisnte, le cournt tube peut être complètement interrompu, sitution dns lquelle ucun électron ne trnsite plus du filment vers l cible. L différence de potentiel ppliquée entre l pièce de concentrtion et le filment peut donc gir comme Lorsque le filment d un tube à ryons X est chuffé, il se constitue une chrge d espce. Lorsque l différence de potentiel est ppliquée entre l cthode et l node, le flux électronique du filment vers l node produit le cournt tube. Si l différence de potentiel ppliquée est insuffisnte pour que l mjeure prtie des électrons soit rrchée du filment u moment où ils sont émis, une chrge d espce résiduelle v persister utour du filment. Cette chrge d espce résiduelle limite le nombre des électrons disponibles et limite donc l intensité du cournt trversnt le tube à ryons X. Jusqu à environ 0 kv, l ugmenttion du kilovoltge produit une ugmenttion significtive de l intensité du cournt tube, même si l tempérture de chuffge du filment demeure constnte. u-dessus de 0 kv, une ugmenttion supplémentire du kilovoltge produit peu de modifictions dns l intensité du cournt tube ; on peut donc considérer que l différence de potentiel de 0 kv définit l position du point de sturtion du tube à ryons X. En dessous de 0 kv, le cournt tube est limité pr les effets de l chrge d espce. u-dessus de 0 kv (voltge de sturtion), l effet de l chrge d espce n théoriquement plus d influence sur l intensité du cournt dns le tube à ryons X. Dns cette zone, l intensité du cournt est déterminée pr le nombre d électrons rendus disponibles pr le chuffge du filment. En prtique, une élévtion continue du cournt u-delà de 0 kv s ccompgne d une légère ugmenttion du cournt tube en rison d un petit effet de chrge d espce résiduel. Dns les systèmes modernes de production des ryons X, cette discrète élévtion du millimpérge ccompgnnt l élévtion du kilovoltge n est ps souhitble cr l intensité du cournt tube doit être contrôlée de fçon très précise. En utilisnt des circuits de compenstion utomtiques qui produisent une légère diminution dns le chuffge du filment lorsque le kilovoltge est ugmenté, on supprime cet effet. Il fut remrquer que des tubes à ryons X différents ont un cournt de sturtion et un voltge de sturtion différents et nécessitent des compenstions de chrge d espce différentes. Effet de tlon de l node L intensité du fisceu de ryons X émis pr le tube n est ps uniforme ; elle dépend de l ngle sous lequel les ryons X sont émis à prtir du foyer. Cette vrition est ppelée «effet de tlon» de l node. L intensité du fisceu du côté de l node du tube est moindre que du côté de l cthode. L diminution d intensité du fisceu de ryons X émis dns une direction prtiquement prllèle à l surfce de l ngle d node est cusée pr l bsorption d une prtie des photons émis pr l node elle-même (Fig. 7). L intensité du fisceu pr rpport à l ngle d émission vrie en fonction des crctéristiques physiques ou propres des tubes à ryons X. Les vleurs moyennes de cet effet de tlon de l node correspondent à une exposition reltive du côté nodique de l ordre de 7 % de l intensité moyenne du fisceu tndis que du côté cthodique elle est de l ordre de 05 %, pour une distnce focle d environ 00 cm. Donc il y environ 0 % de différence d intensité de l exposition entre le côté nodique et le côté cthodique d un film ou d un détecteur numérique. Si l distnce foyer film est ugmentée à 80 cm, les différences

12 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie d intensité de l exposition vont être nettement moindres, de l ordre de 87 % sur le versnt nodique et 0 % sur le versnt cthodique. Trois conséquences cliniques importntes de l effet de tlon de l node peuvent être observées : b en premier lieu, l intensité de l exposition d un film sur le côté nodique du tube est significtivement moindre que celle consttée du côté cthodique. Ce fcteur peut être utilisé pour obtenir une hrmonistion des contrstes rdiogrphiques de segments corporels d épisseurs différentes. Les régions les plus épisses devrient être plcées du côté de l cthode (filment du tube) ; pr exemple, sur un cliché en incidence ntéropostérieure du rchis dorsl, le tube doit être orienté de telle sorte que l extrémité nodique du tube soit du côté du rchis dorsl supérieur, là où le segment corporel est moins épis, le côté cthodique du tube est lors du côté du rchis dorsl bs, là où les structures corporelles sont plus épisses et reçoivent une exposition plus importnte ; deuxièmement, l effet de tlon de l node est moins mrqué lorsqu on utilise le gros foyer d un tube à ryons X ; troisièmement, pour une distnce foyer film identique, l effet de tlon est moindre pour les détecteurs de plus petit formt. Ceci est dû u fit que l intensité du fisceu de ryons X est plus homogène à proximité du ryon directeur centrl que dns l prtie périphérique. c Figure 7. Effet de tlon de l node. L intensité du fisceu de ryons X émis est moindrie du côté de l node en rison de l bsorption d une prtie des photons X émis u sein de l node qui leur donné nissnce. L vrition d intensité est de l ordre de 0 % entre le côté nodique et le côté cthodique du tube. : cthode ; b : ngle d node 5 ; c : collimtion ; d : zone d effet de tlon de l node.. Pourcentge de l intensité du fisceu X produit pr le tube. d Gine et câbles hute tension On pense générlement que les ryons X émis pr le tube se limitent u fisceu émergent ; ils sont en fit émis vec une intensité plus ou moins équivlente dns toutes les directions à prtir de l cible, constitunt ce qu on ppelle le «ryonnement de fuite». De plus les ryons X sont diffusés dns toutes les directions près les collisions vec de nombreuses structures dns et utour du tube. Pour limiter ce ryonnement de fuite, l gine du tube est recouverte d une couche de plomb qui sert à bsorber le ryonnement primire et secondire qui pourrit produire une intensité élevée du ryonnement utour du tube, ynt pour conséquence une exposition inutile des ptients et du personnel en même temps qu une perte de contrste sur les imges. L efficcité de l gine du tube dns l limittion du ryonnement de fuite doit obéir ux spécifictions énumérées dns les réglementtions idoines : «le ryonnement de fuite mesuré à une distnce de m à prtir de l source ne doit ps dépsser 00 milliroentgen (mr) pr heure vec un tube fonctionnnt à son niveu mximl d intensité de cournt (m) et de différence de potentiel (kvp)». Une utre fonction de l gine du tube est d ssurer l protection électrique contre les différences de potentiel très élevées nécessires pour produire les ryons X. Les câbles hute tension connectés u tube pr l intermédiire de réceptcles ppropriés dns l gine du tube contiennent une torsde de fils permettnt Figure 8. Schém d un tube à node tournnte dns s gine plombée. L gine de multiples rôles : bisser le ryonnement de fuite u niveu réglementire pour protéger le personnel et les ptients ; ssurer l protection «physique» du tube (contre les chocs en prticulier) ; contribution à l isolement électrique ; constituer l enveloppe du bin d huile intervennt dns l élimintion de l chleur pr convection.. Plots des cbles hute tension ;. tube rdiogène ;. soufflet d expnsion du bin d huile ;. bin d huile ; 5. cthode, filment ; 6. fenêtre de sortie des ryons X ; 7. node tournnte ; 8. sttor ; 9. rotor. 6

13 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie Figure 9. Tube à node tournnte dns s gine plombée. On retrouve les électrodes des câbles «hute tension» (), le soufflet d expnsion du bin d huile (), le circuit d eu réfrigérée intervennt dns les échnges thermiques pr convection () et le filtre dditionnel () disposé sur l fenêtre de sortie du fisceu pour éliminer les ryons X «mous». d ssurer une mise à l terre du tube. Pour prévenir les courtscircuits entre les fils de mise à l terre et le tube, l espce qui les sépre est rempli d huile minérle très épisse. Le tube à ryons X est contenu dns l gine et l huile est réprtie utour du tube dns l gine (Fig. 8, 9). L gine est soigneusement purgée de tout élément gzeux résiduel cr cet ir résiduel pourrit se dilter de fçon excessive lorsque le tube chuffe, entrînnt l rupture de l gine. L huile d excellentes qulités d isolnt électrique et thermique. À cuse de ses propriétés isolntes, l huile v bien sûr se dilter dns l gine du tube lorsque s tempérture s élève. Un soufflet d expnsion v se dilter dns l gine du tube, sns ugmenter l pression dns le tube ni dns l gine, permettnt insi de prévenir de possibles dégâts. De plus, ce soufflet d expnsion peut être utilisé pour gir sur un contcteur qui utomtiquement rrête l exposition si l tempérture mximle de l huile été tteinte. Crctéristiques et bques de chrges des tubes à ryons X Il est hbituel de prler de l chrge totle (cpcité thermique mximle) d un tube à ryons X en termes de kilovoltge (kvp), millimpérge (m), et temps d exposition (s). L limite de l chrge d un tube qui peut être cceptée en toute sécurité est fonction de l quntité de chleur produite durnt l exposition. L tempérture mximle pouvnt être tolérée pour le tungstène est générlement estimée à 000 C. u-dessus de ce niveu, une vporistion importnte de l cible de tungstène est observée. L quntité de chleur produite pr un cournt électrique est proportionnelle u produit de l différence de potentiel (kv) et de l intensité du cournt (m). L quntité totle de chleur produite est donc le produit du voltge pr le millimpérge du cournt et pr le temps d exposition (s). Cette énergie est exprimée de fçon hbituelle dns deux systèmes différents : les unités chleur (UC) (un système rtificiel) ; les unités du système interntionl (SI) (wtt, seconde, joule). Il fut comprendre les deux systèmes et leur vleur reltive. Les unités chleur disprîtront dns le futur mis sont encore fréquemment utilisées dns les documenttions des fbricnts et dns l littérture. Les UC (het units [HU]) sont définies comme le produit de l intensité du cournt tube (m) pr l différence de potentiel mximle (kvp) et pr l durée d exposition(s) vec un cournt monophsé ; il s git donc d une définition très rtificielle et mlencontreuse. Rppelons que dns un générteur monophsé, le kilovoltge mximl (kvp ou pek voltge) n est ps le kilovoltge Intensité cournt tube (m) Tille du foyer 0,6 mm Cournt triphsé (80 Hz redressé crêtes) 70 kvp 80 kvp 90 kvp 00 kvp 0 kvp 5 kvp 0 0,0 0, Temps (s) 0 Figure 0. bque (ou nomogrmme) de chrge du petit foyer d un tube limenté en cournt triphsé redressé crêtes (ondultion 6 %) ; puissnce 5 kw. moyen ; le kvp est en fit égl à,5 fois le kilovoltge moyen (c est plus précisément l rcine crrée moyenne du kilovoltge, que l on peut ppeler le kilovoltge moyen et que l on peut clculer en utilisnt un fcteur de conversion de,). Les générteurs plus récents utilisent un cournt triphsé redressé et, à l heure ctuelle, le cournt fourni pr les générteurs de moyenne ou hute fréquence peut être considéré comme à différence de potentiel constnte, pour lequel le kvp et le kilovoltge moyen sont identiques. Le terme puissnce (d un tube à ryons X) est courmment utilisé pour exprimer l cpcité du tube à effectuer une seule exposition d une durée risonnble. L durée d une exposition risonnble est définie comme égle à 0, seconde (ce qui correspond à une durée très longue pour un cliché rdiogrphique et très courte pour une série ngiogrphique ou une cquisition scnogrphique.) Les puissnces des tubes sont, pr convention, toujours exprimées pour un tube à ryons X utilisé vec un générteur à différence de potentiel constnte et vec une vitesse de rottion de l node élevée. Pr exemple, quel est le millimpérge mximl pouvnt être utilisé à 70 kvp pour une seule exposition vec un tube de 0 kw (0 000 W)? 70 kvp? m = W? m = 0 000/70 = 9 m Pr un clcul nlogue, un tube de 50 kw peut ccepter un cournt tube de 0 m. Rppelons que ces données sont définies, pr convention, pour des expositions de 0, seconde. On peut utiliser un bque de chrge d un tube à ryons X pour le clcul de l puissnce permise. Sur un bque (Fig. 0), trouvez l ligne correspondnt à une durée d exposition de 0, seconde, et cherchez l endroit où elle coupe l courbe des 70 kvp. Ces deux lignes se croisent u niveu de l ligne des 500 m, cel signifie que ce tube pourrit ccepter une exposition de 70 kvp et 500 m pendnt 0, seconde. L puissnce pproximtive est donc de : 70 kvp 500 m = 5000 W = 5 kw Un clcul nlogue, sur l courbe correspondnt à 00 kvp : 00 kvp 50 m = 5 kw Il s git donc bien du foyer d un tube de 5 kw de puissnce. Pour résumer, ce prgrphe permis d introduire l notion d UC, de W/s (joule) et de chrge en kw comme prmètres de mesure de l chrge d un tube à ryons X. L quntité de chleur (chrge thermique) qui peut être tolérée pr un tube rdiogène sns dommges excessifs est déterminée pr :

14 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie Tbleu. Principles crctéristiques courntes des tubes rdiogènes en imgerie pr projection «générle» (thorx os). Tille des foyers Petit foyer 0,6 mm Grnd foyer, mm Puissnce des foyers 0 kw 7 00 kw Cpcité clorifique 00 à 600 kuc mximle Dimètre de l node 90 à 0 mm ngle d node à 6 Kilovoltge mximl 50 kvp le type de redressement du cournt limentnt le tube ; l puissnce du générteur ; l surfce de l cible de tungstène bombrdée pr les électrons (tille du foyer thermique) ; le dimètre de l node ; l msse de l node ; l ngle d node ; l vitesse de rottion de l node ; et enfin pr l durée de l exposition. En prennt en considértion l chrge thermique du tube, trois types d usge crctéristiques sont à envisger : l chrge thermique u cours d une exposition unique ; l chrge thermique u cours d expositions multiples enchînées rpides (comme en ngiogrphie ou en scnogrphie) ; l chrge thermique ccumulée durnt plusieurs heures d utilistion intense (comme en scnogrphie). L limite de sécurité pour le tube à ryons X rélisnt une exposition unique peut être fcilement déterminée à prtir de l bque de chrge du tube. Un exemple d un tel bque est donné sur l Figure 0. Pr exemple, si l on détermine qu une exposition nécessite 50 ms (500 m à 0, s) ; en se référnt à l bque, les lignes correspondnt respectivement à 500 m et à 0, s se croisent sur le kilovoltge mximl de 70 kvp. De fçon nlogue, l chrge mximle dmissible pour toute combinison des fcteurs d exposition peut être déterminée à prtir de cet bque de chrge qui est donné seulement à titre d exemple. Les fbricnts des tubes à ryons X utilisés dns toutes les instlltions de rdiodignostic livrent toujours les bques de chrge pour les circonstnces spécifiques dns lesquelles le tube pourrit être utilisé (pr exemple cournt monophsé redressé ou cournt triphsé redressé). Une des utilistions les plus importntes de l bque de chrge thermique de l node est de déterminer l durée qu il fut lisser u tube pour qu il se refroidisse vnt que des expositions complémentires ne soient de nouveu possibles (courbe de refroidissement). Pr exemple, supposons qu une série ngiogrphique produise 500 J pr exposition, si cette série ngiogrphique nécessite 0 expositions, l échuffement totl de l node est de J ; en se reportnt à l bque de refroidissement de l node du tube en question, on voit qu il fut environ 6 minutes pour que le tube se refroidisse de à J. Donc si des séries ngiogrphiques rpides sont nécessires, il fut respecter mlgré tout un déli de 6 minutes imposé pr l limittion des cpcités de dissiption thermique de l node. Des considértions complémentires doivent être joutées concernnt l cpcité de l gine du tube à supporter les élévtions thermiques. L gine du tube peut bsorber une énorme quntité de chleur ( J est une vleur cournte). Mis si l gine du tube peut bsorber de grndes quntités de chleur, il lui fut églement un temps considérble pour se refroidir. En se référnt ux bques spécifiques, on voit qu en générl il fut environ 0 minutes à l gine d un tube à ryons X pour dissiper J. Si un refroidissement plus rpide est nécessire pour l gine, l utilistion d un circuit de ventiltion peut générlement doubler cette vitesse de refroidissement et on peut envisger des vleurs dépssnt J/min (Tbleu ). Tubes à ryons X métl/cérmique Les tubes à ryons X à hute performnce ont été introduits il y un qurt de siècle, d bord en ngiogrphie puis en scnogrphie. Ils sont composés d une enceinte métllique u lieu de l hbituelle mpoule de verre vec trois blocs d isolement des câbles et fils conducteurs en cérmique. Deux de ces blocs ssurent l isoltion pour les deux câbles hute tension (positif et négtif) et un troisième supporte l tige nodique. L node tourne, dns certins tubes, sur un xe qui des pliers de support à chque extrémité pour procurer une plus grnde stbilité et réduire les contrintes mécniques sur l xe. Ce support dditionnel permet d employer une node plus mssive pouvnt ller jusqu à 000 g, tndis que, dns les tubes conventionnels, elle est générlement limitée à 700 g. Les isolnts de cérmique sont employés pour séprer les prties du tube à ryons X, soumises à hut voltge, de l enceinte métllique du tube. Un oxyde d luminium est hbituellement utilisé dns les isolnts en cérmique. L emploi d isolteurs en cérmique permet en outre de réliser un tube plus compct (cf. Fig. 6). L emploi d un métl comme enceinte dns le tube à ryons X offre plusieurs vntges dont les trois plus importnts sont : moins de ryonnement extrfocl ; une durée de vie plus longue du tube vec des cournts d intensité élevée ; une cpcité clorifique mximle du tube plus élevée. L enceinte de métl est mise à l terre ; cette mise à l terre joutée à l utilistion d isolteurs en cérmique ssure l sécurité électrique en dépit de l tille restreinte du tube. Ryonnement extrfocl Le ryonnement extrfocl est produit pr un tube à ryons X lorsque des électrons ccélérés à vitesse élevée intergissent vec les surfces métlliques utres que l trce de l cible (générlement les utres prties de l node). L principle source d électrons extrfocux est représentée pr les électrons rétrodiffusés à prtir de l node. Ces électrons rétrodiffusés peuvent venir frpper l node une seconde fois et produire des ryons X dns une région utre que le foyer thermique. Le ryonnement extrfocl peut être en prtie contrôlé en plçnt le collimteur ou un diphrgme plombé ussi près que possible du tube à ryons X. Le recours à une enceinte métllique diminue le ryonnement extrfocl en ttirnt les électrons extrfocux vers le métl mis à l terre. Puisque l enceinte de métl est u potentiel zéro (reliée à l terre), elle est positive pr rpport ux électrons qui sont à un potentiel négtif. Les électrons extrfocux peuvent être ttirés vers l node ou vers l prtie de l enceinte du tube à ryons X mise à l terre, en fonction de leur éloignement de l proi métllique ou de l node. Les électrons frppnt le métl de l proi métllique peuvent produire des ryons X, et le métl, de numéro tomique fible, produit plus de ryons X de fible énergie. L enveloppe de métl diminue donc le ryonnement extrfocl en ttirnt de nombreux électrons extrfocux. llongement de l durée de vie des tubes rdiogènes et ccroissement de l cpcité clorifique mximle des tubes rdiogènes Intensité du fisceu de ryons X L intensité d un fisceu de ryons X est définie pr le nombre de photons dns le fisceu multiplié pr l énergie de chque photon. Cette intensité est hbituellement exprimée en roentgen pr minute (R/min ou C/kg dns le SI). L intensité du fisceu de ryons X vrie vec le kilovoltge, l intensité du cournt tube, le mtériu constitunt l cible nodique et l filtrtion. Mtériu constitunt l cible Il détermine l quntité de ryonnement produite pr un kilovoltge donné. Plus le numéro tomique des tomes de l cible est

15 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie Figure. Exemple de tube moderne à usge spécifique pour l mmmogrphie (, ). node 70 mm ; cpcité clorifique mximle 97 kj (5 kuc) ; deux cibles : molybdène et rhodium. Petit foyer molybdène (tille du foyer, ngle d node, puissnce) : 0, (6 ),5 kw ; grnd foyer molybdène : 0, (0 ) 5,5 kw ; petit foyer rhodium : 0, (6 ),0 kw ; grnd foyer rhodium : 0, (0 ), kw.. Filment ;. fenêtre de sortie + filtre dditionnel (molybdène ou béryllium) ;. node rottive ;. collimteur. élevé plus l efficcité de production des ryons X est élevée. Pr exemple, le tungstène (Z = 7) produirit plus de ryonnement de freinge que l étin (Z = 50) si tous les deux étient utilisés comme cibles dns un tube à ryons X vec une différence de potentiel et une intensité du cournt tube identiques. On déjà mis l ccent sur le fit que le tungstène est utilisé comme mtériel pour l cible en rison de son numéro tomique reltivement élevé (7) et de son point de fusion élevé (70 C). Le pltine, vec un numéro tomique plus fvorble de 78, en revnche un point de fusion à 770 C et l or stble (Z = 79) fond à 06 C. Donc pour le spectre continu (photons X produits pr freinge), le numéro tomique du mtériel de l cible détermine en prtie l quntité de ryons X produite. L reltion entre le numéro tomique et l production de ries crctéristiques est différente. Le numéro tomique du mtériel de l cible détermine l énergie ou l qulité du ryonnement X crctéristique produit. Pr exemple le ryonnement crctéristique produit pr l couche K du tungstène (Z = 7) est de 57 et 69 kev, celui de l étin (Z = 50) est de 5 et 9 kev ; celui du plomb (Z = 80) des énergies de 7 et 88 kev. Cibles de molybdène vec un numéro tomique élevé comme le tungstène, le fisceu de ryons X est presque entièrement constitué de ryonnement de freinge. L contribution des ries crctéristiques vrie en fonction du kilovoltge du tube mis elle ne représente jmis un pourcentge importnt du totl du fisceu. vec les nodes de numéro tomique plus petit, l production de ryons X pr freinge est moins efficiente. L efficience diminue églement lorsque l différence de potentiel ux bornes du tube est diminuée. L combinison d un numéro tomique bs pour l node et d un tube à voltge bs réduit l production de ryonnement pr freinge à un niveu suffismment bs pour que le ryonnement crctéristique devienne l rdition l plus importnte. Les tubes à node en molybdène sont fbriqués pour tirer vntge de ce principe pour l rdiogrphie du sein (et des structures minces, à fible contrste propre : pièces ntomiques, tbleux de peinture rtistique). Le kilovoltge optiml pour l mmmogrphie est d environ 8 kvp. À cette différence de potentiel, les ries crctéristiques K lph 7,5 kev et K bêt 9,6 kev du molybdène constituent une prtie significtive du ryonnement fourni pr un tube à node en molybdène. L emploi d un filtre dditionnel en molybdène de 0,0 mm d épisseur permet de supprimer le spectre de freinge et de ne conserver que le ryonnement crctéristique, prtiquement «bimonochromtique» (deux ries de 9,6 et 7,5 kev). Dns l même optique et pour des seins plus épis et/ou plus denses, on utilise des tubes comportnt, en plus de l cible en molybdène, des cibles de rhodium et de béryllium qui sont utilisées vec un filtre de béryllium de 0,6 mm d épisseur et une tension ux bornes de 8 à 0 kvp (Fig. ). Pour résumer, le numéro tomique du mtériel constitunt l cible détermine l quntité (nombre de photons) du ryonnement produit pr freinge et l qulité (énergie des photons) du ryonnement crctéristique. Kilovoltge ppliqué ux bornes du tube (kvp) L énergie des photons émis pr le tube à ryons X dépend de l énergie cinétique des électrons dns le fisceu électronique qui bombrde l cible du tube rdiogène. L énergie des électrons est elle-même déterminée pr le kilovoltge mximl utilisé (kvp). Donc le kilovoltge mximl détermine l énergie mximle (qulité) des photons X produits. De plus les techniques utilisnt les kilovoltges les plus élevés vont églement ugmenter l quntité de ryons X produite. L quntité de rditions produite ugmente comme le crré du kilovoltge ; l intensité du fisceu de ryons X est églement proportionnelle u millimpérge. L longueur d onde du ryonnement crctéristique (spectre de ries) produit pr l cible n est ps modifiée pr des modifictions du kilovoltge mximl. Nturellement, le kilovoltge ppliqué doit être suffismment élevé pour provoquer l émission de ryonnement crctéristique. Pr exemple, vec une cible de tungstène, il fut une différence de potentiel d u moins 70 kvp pour provoquer l pprition de ryonnement crctéristique de l couche K. Intensité du cournt tube Le nombre de ryons X produits dépend évidemment du nombre d électrons qui frppent l cible du tube à ryons X. 5

16 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie Tbleu. Principles crctéristiques courntes des tubes rdiogènes en imgerie pr projection à grnde puissnce (ngiogrphie numérisée, coronrogrphie). Tille des foyers Petit foyer 0, 0,6 mm Grnd foyer 0,8, mm Puissnce des foyers 5 60 kw 60 kw Cpcité clorifique 00 kuc à,5 MUC mximle Dimètre de l node 90 à 0 mm ngle d node 8 à 5 Kilovoltge mximl 50 kvp Tbleu. Principles crctéristiques courntes des tubes rdiogènes en mmmogrphie (node en molybdène ou béryllium rhodium). Tille des foyers Petit foyer 0, mm Grnd foyer 0, mm Puissnce des foyers, kw 6 kw Cpcité clorifique 90 à 00 kuc mximle Dimètre de l node 70 mm ngle d node 0,7 à Plge kvp 0 50 kvp Le nombre d électrons dépend directement de l intensité du cournt tube utilisé (m). Plus le millimpérge est élevé, plus le nombre d électrons produits est élevé. Filtrtion dditionnelle des tubes rdiogènes L élimintion pr l filtrtion dditionnelle des photons X de fible énergie du spectre de freinge est un élément essentiel, tnt pour l rdioprotection des ptients que pour l qulité de l imge. Elle est obtenue pr l interposition d un ssemblge de filtres métlliques sur l fenêtre de sortie des photons X, u niveu de l gine. Elle doit être dptée à l énergie des photons X utilisés et consiste en : un filtre de à mm d épisseur d luminium lorsque les tensions ux bornes utilisées vont de 60 à 0 kv ; un filtre de 0, à 0, mm de cuivre et un filtre de à mm d luminium u-dessus de 0 kv. Il existe, en prticulier sur les instlltions d ngiogrphie et de rdiologie interventionnelle, des dispositifs utomtiques de mises en plce de ces filtres en fonction du kilovoltge utilisé mis il fut toujours vérifier que ces dispositifs sont en étt de fonctionnement cr, en prticulier en rdiologie interventionnelle, l bsence ou l utilistion indéqute de l filtrtion dditionnelle peut constituer une source de lésions rdiques grves (lopécie, rdiodermites) (Tbleux à ). Collimtion du fisceu de ryons X [] Les collimteurs définissent l tille et l forme du fisceu de ryons X qui émerge de l fenêtre de sortie du tube. Le collimteur type est constitué d un ssemblge de volets métlliques plombés mobilisbles deux à deux et disposés dns des directions orthogonles. Ces volets plombés bsorbent totlement les photons X, permettnt insi de définir de fçon précise l zone irrdiée sur le ptient. Pour ider les mnipulteurs dns le positionnement des volets des diphrgmes, une source de lumière est plcée dns le collimteur, à l même distnce que le foyer du tube d un miroir peu tténunt plcé sur l xe du ryon principl du fisceu X, sous un ngle de 5 (Fig., ). L lumière réfléchie pr le miroir éclire de fçon précise l surfce du chmp irrdié. Il fut bien entendu, pour obtenir ce résultt, que l lignement de l source lumineuse et l orienttion du pln du miroir soient prfitement contrôlés et régulièrement vérifiés. Dns l pluprt des instlltions modernes, l position des volets de collimtion est utomtiquement déterminée pr le formt du système de détection utilisé. Dns le cs de cssettes pour ERLM, des plpeurs mécniques détectent l tille de l cssette et justent l position des volets. Le choix d un kilovoltge optiml et l utilistion conjointe des diphrgmes ssurent l limittion du ryonnement diffusé lié à l production des ryons X. Pour une rdiogrphie de qulité, il fut ensuite limiter l quntité de ryonnement diffusé produite pr les interctions photons X mtière dns le segment corporel exminé ; à ce titre, il fut veiller à diminuer et homogénéiser l épisseur du segment corporel exminé pr l emploi dpté de sngles de compression, vessie pneumtique, cles, etc. (Fig. ). C est enfin à l grille ntidiffusnte que revient le rôle de diminuer u mximum l frction de ryonnement diffusé entrnt dns l crétion des imges rdiogrphiques pour leur conserver un contrste mximl, condition indispensble pour l visibilité des structures de petite tille de fible contrste propre. Tubes rdiogènes en scnogrphie L pluprt des techniques scnogrphiques courntes imposent une chrge thermique élevée u tube rdiogène du scnner. Une intensité du cournt tube élevée est en effet nécessire pour fournir une quntité de photons suffisnte et obtenir une résolution en contrste stisfisnte, lorsqu on veut simultnément des vitesses de rottion rpides et l cquisition de coupes infrmillimétriques. L ugmenttion du nombre de ptients en surpoids constitue une cuse supplémentire de surchrge des tubes rdiogènes, si l on veut, chez ces ptients, conserver une qulité d imge cceptble, vec un niveu de bruit quntique qui ne nuise ps à l résolution en densité, pour ssurer l visibilité des structures de fible contrste propre. Les exigences croissntes en mtière d explortions multiphsiques en hute résolution de structures très mobiles comme le cœur et les coronires nécessitent une puissnce ccrue des générteurs et des tubes, des temps de rottion les plus courts possible, des temps de refroidissement courts pour permettre un enchînement rpide des exmens et le plus petit foyer possible pour optimiser l résolution sptile des imges. Prmi les vrintes technologiques utilisées pour méliorer l résolution sptile dns l xe Z, on peut citer le principe du foyer flottnt qui double l quntité de mesures pour un détecteur mtriciel de lrgeur donnée. Il n été dopté que pr un seul constructeur. Pour permettre une cquisition scnogrphique multiphsique de segments corporels étendus (scnner thorco-bdominopelvien) sns surchuffe, les tubes à ryons X des scnners ont été spécifiquement développés pour disposer à l fois d une cpcité clorifique mximle de l node très élevée et d une cpcité de dissiption thermique de l ensemble tube gine mximle. En prtique, les deux spécifictions des tubes rdiogènes des scnners cpcité clorifique mximle de l node et cpcité de dissiption thermique de l ensemble tube gine doivent être prises en considértion simultnément pour définir l chrge thermique mximle globle. Cpcité clorifique mximle des tubes en scnogrphie Tous les perfectionnements de l node tournnte sont bien évidemment systémtiquement utilisés en scnogrphie : 6

17 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie Figure. Diphrgmes et centreur lumineux. Les volets des diphrgmes sont disposés perpendiculirement dns deux plns différents et mobilisbles simultnément deux à deux. L mpoule du centreur lumineux est à l même distnce du centre du miroir que le foyer du tube rdiogène.. Miroir ;. lmpe à incndescence ;. collimtion ;. volets supérieurs ; 5. volets inférieurs. 5 Figure. L mobilistion mnuelle des diphrgmes s effectue pr rottion des boutons de commnde (flèches). L ensemble diphrgmes loclisteurs et centreur lumineux est ncré sur l gine du tube (tête de flèche).. Tble télécommndée «multiusge».. Sur suspension plfonnière télescopique. llige tungstène rhénium pour l prtie superficielle de l cible ( à /0 e mm) qui, grâce à une meilleure souplesse cristlline, ssure un vieillissement moins rpide et sns microfissures ; ugmenttion du dimètre du disque de l node à 50 mm et plus ; ugmenttion de l msse de l node en utilisnt : du molybdène (dont le poids tomique est l moitié de celui du tungstène donc qui, à msse égle, exige une quntité d énergie double pour tteindre une tempérture donnée), ou du grphite (corps noir à forte cpcité de dissiption clorique pr ryonnement) ; 7

18 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie Figure. Pour méliorer l collimtion, on joute un loclisteur conique ou de section rectngulire. Pour limiter et hrmoniser l épisseur du ptient, il fut comprimer l bdomen pr l utilistion conjointe de l sngle bdominle, l vessie pneumtique et, u besoin, les cles. C est en respectnt ces règles rtisnles que, même u XXI e siècle et en imgerie numérique, on rélise des clichés corrects, c est-à-dire lisibles. remplcement des roulements à billes pr des emboîtements de cylindres à rinures hélicoïdles et lubrifiction pr de l rgent métllique liquide ; noircissement de l fce rrière de l node pr vporistion colloïdle de mgnésie pour méliorer l diffusion de l chleur pr ccroissement du pouvoir de ryonnement ; diminution des contrintes mécniques liées à l ugmenttion de l msse de l node pr substitution à son porte-à-fux sur plier unique clssique d un xe métllique trnsnodique à deux pliers (Fig. 5). Cpcité de dissiption thermique mximle des ensembles gine tube système de refroidissement en scnogrphie Deux mécnismes d élimintion de l chleur sont utilisés, qui se déroulent simultnément, mis dont les effets se produisent de fçon déclée dns le temps. L chleur produite dns l node est d bord éliminée pr ryonnement vers l huile de l gine du tube qui est mobilisée pr l intermédiire d un circuit comportnt un réservoir et une pompe (Fig. 6). Dns certins tubes, le circuit de l huile est prolongé dns l xe de rottion de l node pour jouter encore de l dissiption thermique pr conduction. Cette modlité de dissiption clorique pr ryonnement est l plus précoce mis elle décroît rpidement de fçon exponentielle. Elle définit en prtie l cpcité du tube à réliser une cquisition scnogrphique (ou une série ngiogrphique) «exigente» (à ms élevés). L dissiption clorique pr convection correspond u refroidissement de l huile pr un échngeur thermique à bse d ir pulsé, fourni pr un système de ventiltion à très hut débit (l ir peut Figure 5. Tube scnogrphique vec xe trnsnodique reposnt sur deux pliers plcés de prt et d utre du disque (, ). Les sollicittions mécniques sur l xe de rottion sont réduites et permettent d dopter des nodes de plus grnd dimètre (jusqu à 00 mm, plus lourdes). En vert sur le schém, les isolnts en cérmique pour les câbles «hute tension» et l xe nodique. dns certines instlltions être réfrigéré grâce à un circuit d eu glcée) (Fig. 7). L pluprt des tubes utilisés en scnogrphie sont des tubes métl cérmique dns lesquels l enveloppe métllique du tube fcilite le refroidissement de l huile pr convection (tout en méliornt églement l efficcité du tube cr l enceinte métllique forme une cge de Frdy, mise u potentiel de l terre, qui cpte les électrons qui, en s échppnt de l node, déposient sur le verre de l mpoule une chrge sttionnire gênnte, exposnt à l survenue d rcs électriques pouvnt rompre l mpoule). L dissiption clorique pr convection prend une importnce prépondérnte u-delà de l 5 e minute suivnt une chrge clorique mximle (Fig. 8). Elle crctérise l cpcité de l instlltion à enchîner des exmens multiphsiques «exigents», sns imposer de délis de refroidissement du tube prohibitifs (Tbleu ). Conclusion Les ryons X sont produits pr une conversion d énergie lorsqu un fisceu d électrons ccélérés est brutlement décéléré dns l cible d un tube à ryons X. Un tube à ryons X est une diode à vide prticulière. L cible d un tube à ryons X est hbituellement en tungstène ou en llige de tungstène. L production 8

19 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie Figure 7. Tube rdiogène en plce sur l nneu du scnner (). On voit les lmes plombées de l collimtion primire (). b Secondes Figure 6. Tube scnogrphique (, ). Refroidissement pr ryonnement. L chleur ryonnée pr l node est trnsmise à trvers les prois du tube u bin d huile qui l entoure. Le circuit d huile comporte un réservoir () et une pompe qui mobilise l huile chuffée et l mène sous le flux gzeux à hut débit produit pr les ventilteurs () rélisnt le refroidissement pr convection. de chleur dns un tube à ryons X est limitée u mximum pr l utilistion du principe du foyer linéire et d une node tournnte. Les ryons X sont générés pr deux processus différents qui entrînent d une prt l production d un spectre continu de ryons X (freinge) et d utre prt l production d un ryonnement crctéristique (ries). L quntité (nombre) de photons X produite est proportionnelle u numéro tomique du mtériel constitunt l cible (Z), u crré du kilovoltge mximl (kvp) et u millimpérge du cournt tube (m). L qulité (énergie moyenne) du ryonnement X produit dépend presque entièrement de l différence de potentiel ux bornes du tube (kvp). Les principles crctéristiques d un tube rdiogène sont : l puissnce de l ensemble tube générteur qui s exprime pr le produit P (kw) = U (kv) I (m), pr convention pour t = /0 e de seconde. Cette puissnce est directement conditionnée pr l tille du foyer optique (qui elle-même dépend de l tille du foyer thermique et de l ngle d node). Le gros foyer d un tube en rdiologie conventionnelle une tille de l ordre de,5 mm pour une puissnce de 70 à 00 kw. Le petit foyer d un tube conventionnel une tille de l ordre de 0,6 mm pour une puissnce de 5 à 0 kw ; Minutes Figure 8. Chronologie des mécnismes de déperdition thermique dns un tube scnogrphique : l déperdition pr ryonnement est très intense initilement (proportionnelle à l tempérture tteinte pr l node) ; elle décroît rpidement, de fçon exponentielle, puis reste constnte (,). L déperdition pr convection (pr l intermédiire d un fluide gzeux, l ir soufflé pr l ventiltion) est initilement fible mis s ccroît rpidement à prtir de 0 à 5 secondes et ugmente vec le temps pendnt plusieurs dizines de minutes. : déperdition précoce pr convection ; b : déperdition précocepr ryonnement ; c : déperdition retrdée pr convection ; d : déperdition retrdée pr ryonnement. l chrge thermique d un tube s exprime en UC et correspond u produit UC = m kw t (en secondes). L cpcité clorifique mximle exprime l cpcité d un tube rdiogène à permettre une cquisition de longue durée à chrge élevée (série ngiogrphique, cquisition scnogrphique) ; l cpcité de dissiption thermique d un ensemble tube gine s exprime en UC/min ; elle comporte deux mécnismes qui c d 9

20 Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie Tbleu. Principles crctéristiques courntes des tubes rdiogènes sur un scnner «hut de gmme». Tille des foyers Petit foyer 0, 0,9 0,7 mm mm Puissnce nominle des foyers Cpcité clorifique mximle Tux mximl de refroidissement de l node Grnd foyer 0,6,, mm 0 kw 0 80 kw 7 MUC ngle d node 7 0,5 kuc/s Dimètre de l node 0 00 mm Kilovoltge mximl 0 50 kvp interviennent de fçon simultnée, mis synchrone. L dissiption thermique pr ryonnement exprime l cpcité d un système rdiogène à permettre une cquisition «exigente», à ms élevés. L dissiption thermique pr convection (trnsfert clorique entre l huile chude et le flux gzeux, éventuellement réfrigéré) détermine les délis de refroidissement nécessires entre des exmens imposnt de fortes chrges thermiques u tube. Conflit d intérêt : ucun. Références [] ushberg JT, Seibert J, Leidholt EM, oone JM. The essentil physics of medicl imging. ltimore: Willims nd Wilkins; 99, p [] Curry TS, Dowdey JE, Murry RC. Christensens s physics of dignostic rdiology. Phildelphi: Le nd Febiger; 990, p [] Dillenseger JP, Moerschel E. Guide des technologies de l imgerie médicle et de l rdiothérpie. Pris: Elsevier-Msson; 009, p [] Schmidt R. Tube à ryons X. EMC (Elsevier Msson SS, Pris), Rdiologie et imgerie médicle : principes et techniques Rdioprotection - Imgerie rdiologique conventionnelle : production de l imge rdiologique, , 990. D. Régent (d.regent@chu-nncy.fr). D. Mndry. V. Croise-Lurent.. Oliver. F. Jusset. V. Lombrd. Service de rdiologie, Hôpitux de rbois, Centre hospitlier universitire de Nncy, rue du Morvn, 55 Vndœuvre-Lès-Nncy, Frnce. Toute référence à cet rticle doit porter l mention : Régent D, Mndry D, Croise-Lurent V, Oliver, Jusset F, Lombrd V. Production des ryons X en imgerie pr projection et en scnogrphie. 0;8():-0 [rticle ]. Disponibles sur rbres décisionnels Iconogrphies supplémentires Vidéos/ nimtions Documents légux Informtion u ptient Informtions supplémentires utoévlutions Cs clinique 0