LA RADIOLOGIE. «Pourquoi essayer de faire semblant d'avoir l'air de travailler? C'est de la fatigue inutile!» Pierre Dac 05/03/2012

Transcription

1 LA RADIOLOGIE F. LAURENT-DANIEL Physicienne médicale Centre GRAY Maubeuge Année universitaire «Pourquoi essayer de faire semblant d'avoir l'air de travailler? C'est de la fatigue inutile!» Pierre Dac 1

2 Qu est-ce que la radiologie? Spécialité médicale utilisant à des fins diagnostiques ou thérapeutiques des radiations ionisantes (rayons X) Radiologie standard ou numérisée Tomodensitométrie Mammographie, angiographie, Radiologie interventionnelle (vers le noninvasif) «Avec de la méthode et de la logique on peut arriver à tout aussi bien qu'à rien.» et des radiations non ionisantes (ultrasons, RF) Échographies (standard, doppler, ) IRM Imagerie par Résonance Magnétique Principe technique fondée sur une différence d'absorption des rayons X par les différents tissus du corps. 2

3 Principe mesure de la densité de tissus traversés par un faisceau de RX à partir du calcul du coefficient d'atténuation µ µ Production des rayons X Sous l effet d un bombardement électronique à haute énergie les atomes d une cible de Z atomique élevé vont être excités puis revenir à leur état fondamental en réémettant l excédant d énergie sous forme d un rayonnement de photons X. 3

4 Tubes à rayons X Dans le vide d un tube de rayons X, un filament chauffé émet des électrons qui sont accélérés par une très grande différence de potentiel ( volts) et vont percuter une anode. «Rien ne sert de penser, il faut réfléchir avant.» L image radiante Lorsque le faisceau incident homogène de rayons X traverse un milieu qui présente des variations d'épaisseur, de densité et de composition atomique, il subit une modulation. = IMAGE RADIANTE * dépend - de la composition spectrale du faisceau - de la nature du milieu traversé. * indépendante du type de détecteur utilisé. «Si la matière grise était plus rose, le monde aurait moins les idées noires.» 4

5 Contraste de l image «Ce n'est pas parce qu'en hiver on dit "fermez la porte, il fait froid dehors", qu'il fait moins froid dehors quand la porte est fermée..» Le contraste de l'image radiante est directement lié à la différence des coefficients linéaires d'atténuation (dépend de l énergie du rayonnement, composition du milieu et s exprime en cm-1). Contraste C C= I1 ~I0 (1-µ1x) I2 ~I0 (1-µ2x ) C # ½ (µ1-µ2)x Transformation de l image radiante en image radiologique Cette transformation introduit la notion de détecteur : Film radiologique (radiologie standard) Intensificateur de luminance ou ampli de brillance (radioscopie) Matériaux photostimulables et détecteurs numériques (radiologie numérique) 5

6 Le film radiologique Le film radiologique est le détecteur de rayon X le plus répandu, il occupe aujourd'hui encore une place très importante dans l'imagerie par rayons X. «Pour voir loin, il faut y regarder de près» L intensificateur de luminance fluorescent «La télévision est faite pour ceux qui, n'ayant rien à dire, tiennent absolument à le faire savoir.» -Le faisceau incident frappe un écran fluorescent - Les photons X émis produisent à leur tour des électrons grâce à la photocathode - Ces électrons sont accélérés par une différence de potentiel comprise entre 20 et 30 kv. - Les électrodes les focalisent alors sur un écran fluorescent de sortie (photons visibles). Cet accessoire permet d'une part, la visualisation en temps réel de la localisation des structures anatomiques, et d'autre part, un abaissement significatif de l'exposition du patient. 6

7 Matériaux photostimulables Les écrans radioluminescents à mémoire (ERLM) stockent l'énergie transmise par les rayons X dans une structure cristalline et la restituent ensuite. Comme les films, ils sont utilisés dans des cassettes. Piègeage de l image radiante sur un support photostimulable et lecture de ce support par laser Détecteurs numériques Les détecteurs plans numériques représentent la plus récente évolution. Ils sont constitués d'une matrice électronique, similaire à celle de l'écran plat d'un ordinateur portable, qui transforme l'énergie des rayons X en un signal électrique point par point. Ex : Silicium et Sélénium amorphe 7

8 Image numérique Image numérisée = carte des coefficients linéaires d atténuation Traitement d image (contraste, zoom, filtrage, transformée ) Appareils de radiologie 8

9 La tomodensitométrie (scanographie, «Computerized Tomography» CT) Méthode de diagnostic radiologique tomographique, permettant d'obtenir des coupes axiales (ou transversales), reconstruites à partir de la mesure du coefficient d'atténuation du faisceau de rayons X dans le volume étudié. «Les prévisions sont difficiles, surtout lorsqu'elles concernent l'avenir.» La tomodensitométrie La tomodensitométrie a connu un essor considérable, justifié par son intérêt diagnostique et l'amélioration continue de ses performances techniques. Elle représente l'une des applications les plus réussies et les plus fécondes de l'application de l'informatique à la médecine et à l'imagerie médicale. Tomographie : du grec tomos (section) et graphein (écrire) 9

10 Généralités L'image de la coupe d'un objet irradié par un faisceau fin de RX, est reconstituée à partir d'un grand nombre de mesures du coefficient d'atténuation, effectuées selon diverses incidences. On recueille ainsi toutes les données, qui proviennent des volumes élémentaires de matière, grâce aux détecteurs. A l'aide d'un calculateur, on attribue aux volumes élémentaires (voxels) de l'image reconstruite une tonalité plus ou moins importante en fonction des coefficients d'atténuation, à partir des données projetées sur une matrice de reconstruction. «Il est idiot de monter une côte à bicyclette quand il suffit de se retourner pour la descendre.» Absorption des rayons X dans la matière Si le faisceau de RX, à la sortie du tube, est rendu monochromatique ou quasimonochromatique par une filtration appropriée, on peut calculer le coefficient d'atténuation correspondant au volume de tissu irradié, par application de la formule générale d'absorption des rayons X dans la matière. I où : I : intensité du faisceau de RX après traversée d'une épaisseur x de matière, Io : intensité initiale du faisceau de RX, x : épaisseur de matériau traversé µ : coefficient d'absorption linéaire du matériau traversé (exprimé en cm-1) x On obtient : 10

11 Fonctionnement L ensemble générateur et détecteurs de rayons X est solidarisé par un montage mécanique rigide qui définit un plan de détection. L'objet à étudier est placé dans le faisceau, le dispositif fournit une mesure de l'atténuation du rayonnement dans ce plan. A l'aide des détecteurs, on obtient une série de mesures de l'atténuation résultant de la traversée d'une tranche du corps. Le lit motorisé permet d acquérir ensuite une série de coupes transversales. «Qu'est-ce que le passé, sinon du présent qui est en retard?» 11

12 Fonctionnement Le faisceau rencontre des structures de densité et d'épaisseur différentes. L atténuation dépend donc de plusieurs inconnues µ1x1, µ2x2,.µnxn. L atténuation mesurée par un détecteur dépend de toutes les structures traversées et la valeur de µ est une valeur moyenne Fonctionnement Une seule de ces projections ne suffit pas à reconstituer la structure de la coupe. Un mouvement de rotation de l'ensemble autour du grand axe de l'objet examiné, permet alors d'enregistrer des profils résultants de la traversée de la même coupe suivant différentes directions. 12

13 Unité de Hounsfield «Un inconnu qui, au cours d'une discussion d'intérêts, tentait de soulever une énorme difficulté a été écrasé par celle-ci.» Hounsfield a choisi une échelle qui affecte aux 3 densités fondamentales les valeurs suivantes : Air = Eau = 0 Os = ex : Graisse = - 60 à Ainsi, on définit l'indice Hounsfield (IH) par la formule mathématique suivante : Architecture d un tomodensitomètre Un appareil de tomodensitométrie à rayons X comporte : - Un système d'acquisition des données - Un système de traitement du signal - Un système de visualisation - Un système de commande de l'ensemble 13

14 La chaîne scanographique La chaîne radiologique Générateur de rayons X * alimente le tube à rayons X * délivre - une HT continue (80 à 140 kv) - un courant constant (de 10 à 500 ma). => Puissance totale disponible de 50 à 60 kw. Le + souvent «embarqué» dans le statif. Tube performants +++. doivent être capables : - d absorber de fortes contraintes thermiques - d'évacuer la chaleur grâce à une dissipation thermique importante (permettant de réaliser une deuxième hélice si la première a porté le tube à sa charge thermique maximale). -supporter les contraintes mécaniques de la force centrifuge des statifs de dernière génération anode tournante, à foyer fin de l ordre du mm, avec émission continue. 14

15 Filtrage et collimation Le filtrage et la collimation permettent la mise en forme du faisceau de rayons X. Filtrage - effectué par une lame métallique de faible épaisseur. - permet d obtenir un spectre de rayonnement étroit, d approcher le monochromatisme. Collimations primaires et secondaires collimation primaire située en aval du filtrage * calibre le faisceau RX en fonction de l épaisseur de coupe désirée. * limite l irradiation inutile. collimation secondaire placée avant le détecteur. * doit être parfaitement alignée avec le foyer et la collimation primaire. * limite le rayonnement diffusé par le patient. «Rien ne prédispose davantage à l'aspect pensif que l'absence totale de pensée.» Détection Le détecteur transforme les photons X en signal électrique. Ce signal est directement proportionnel à l intensité du faisceau de rayons. Le profil d atténuation ou projection correspond à l ensemble des signaux électriques fourni par la totalité des détecteurs pour un angle de rotation donné. Un mouvement de rotation autour du grand axe de l objet à examiner permet d enregistrer une série de profils d atténuation résultants de la traversée de la même coupe selon différents angles de rotation (de l ordre de 1000 mesures par rotation). 15

16 Détecteurs Chambres d ionisation au xénon Les photons X sont directement transformés en signal électrique. Leur efficacité (rendement) est faible (60 à 70% de l énergie est absorbée). Détecteurs solides utilisés par la plupart des scanners actuels (parfois nommés incorrectement semiconducteurs) Les photons X sont absorbés par un scintillateur (céramique) et convertis en photons lumineux, eux mêmes convertis en signal électrique par une photodiode - efficacité excellente - temps de réponse rapides - faible rémanence. Réalisation des profils de densité Le faisceau émis par le tube à RX, irradie plusieurs détecteurs et permet de faire de multiples mesures de densité sur différents axes. On obtient ainsi un «profil de densité» selon un angle de projection α 16

17 Modélisation du faisceau par rotation Lorsque le faisceau de RX tourne autour de l'objet, on obtient une grande quantité de projections et de mesures, dans le plan de référence avec différents angles de projections. Le nombre de projections effectué, dépend de la géométrie du système et en particulier de la largeur du faisceau. Pour chaque valeur angulaire α, on obtient un profil de densité. «Souffrant d'insomnie, j'échangerais un matelas de plumes contre un sommeil de plomb.» La sommation de tous ces profils de densité obtenus pour ces différentes valeurs angulaires, s'appelle un «sinogramme» Sinogramme a - Distribution test, b - sinogramme mesuré c - image reconstruite. Le sinogramme traduit la mesure d'atténuation avec en abscisse, le numéro de détecteur et en ordonnée, l'angle de projection : un pixel de la surface à reconstruire décrit une sinusoïde d'où le terme de sinogramme. 17

18 Traitement du signal Le rayonnement X reçu par les détecteurs, est transformé en courant électrique. Cette conversion aboutit à un signal qui va être amplifié et numérisé. La numérisation consiste à transformer le signal de type analogique en données chiffrées qu'un ordinateur peut classer, stocker dans une matrice de reconstruction et traiter ensuite. Traitement du signal, reconstruction de l'image par rétroprojection filtrée. «Le chemin le plus court d'un point à un autre est la ligne droite, à condition que les deux points soient bien en face l'un de l'autre.» La rétroprojection filtrée On sait, depuis les travaux des mathématiciens, reconstituer un objet à partir de ses projections sur un plan de référence. On effectue pour cela deux opérations : 1) Une «Rétro-projection» ou épandage : reconstruction, consistant à projeter les valeurs numériques obtenues sur le plan image, en leur attribuant des cordonnées spatiales correspondantes à celles qu'elles avaient dans le plan de coupe examiné. 2) Une «déconvolution» ou filtrage : améliore la qualité d'image de l'objet reconstruit, pour le rapprocher du modèle initial. «Le carré est un triangle qui a réussi, ou une circonférence qui a mal tourné...» 18

19 Un peu de maths! Ces opérations mathématiques nécessitent des moyens de calcul puissants qui ne peuvent être obtenus que par des ordinateurs. La reconstruction proprement dite s'effectue par une méthode algébrique (calcul matriciel) ou plus couramment par la méthode de la transformée de Radon ou de Fourier. Je vous épargne les formules Visualisation Les images sont présentées sur l'écran vidéo de la console. Elles peuvent être «imprimées» sur film à l aide d un reprographe. La matrice de visualisation peut être équivalente à la matrice de reconstruction ou présenter un plus grand nombre d'éléments image. 19

20 Différentes générations d appareils Plusieurs variétés de géométrie de scanner ont été produites, pour acquérir les données de transmission des rayons X nécessaires à la reconstruction de l'image. 4 générations de modèles de scanner Petit historique 1971 : premier examen tomodensitométrique cérébral 1974 : premier appareil corps entier 1979 : Prix Nobel de médecine décerné à Allan MacLeod et Godfrey N.Hounsfield pour la mise au point du premier scanner 1989 : acquisition hélicoïdale 1992 : acquisition de deux coupes simultanées par rotation 1998 : acquisition multicoupes 20

21 1e et 2e génération Translation, rotation du tube et des détecteurs autour de l'objet étudié (La première génération ne comportait que 2 détecteurs séparés permettant d'obtenir 2 coupes simultanément avec un temps d'acquisition de plusieurs minutes) 3e génération Le tube et les détecteurs effectuent un mouvement de rotation autour de l'objet. Cette technologie possède une couronne de détecteurs face au tube de RX. Une série de détecteurs (de 500 à 1000) couvre la largeur du sujet (50 cm pour l abdomen). C est la technologie la plus répandue sur les scanners actuels 21

22 4e génération La couronne de détecteurs est fixe et seul le tube tourne autour de l'objet. Scanner hélicoïdal et multicoupes Les scanners classiques à rotation séquentielle ont été longuement utilisé pour l'exploration du corps humain. Avec les progrès technologiques et les recherches effectuées dans le domaine de l'informatique, de l'imagerie et de l'électronique, l'ensemble des constructeurs s'orientent vers de nouvelles générations de machine : le scanner hélicoïdal le scanner multicoupes 22

23 Principe du scanner hélicoïdal Le scanner hélicoïdal est caractérisé par la rotation continue du couple tubedétecteurs autour d'un lit d'examen, se déplaçant à vitesse constante durant l'acquisition. Hélice et vitesse de rotation Le tube à rayons X réalise ainsi un déplacement en hélice, décrivant un cylindre, si on se place dans un repère lié à la table. La vitesse de rotation sur les scanners les plus récents est de 0,5 seconde/360. Cette vitesse soumet le tube à une force centrifuge élevée de l ordre de 12G. 23

24 Volume d acquisition et dose d irradiation Pour une même longueur de déplacement de table, le volume irradié est plus important en hélicoïdal, qu'en imagerie séquentielle. La dose attribuée n'est pas forcement plus importante dans le cas du scanner hélicoïdal. Le mouvement continu de l'ensemble tube, détecteurs et table, a permis aux constructeurs d'optimiser la dose reçue par le patient au cours de l'examen. Reconstruction des images Au lieu de calculer pour chaque rotation, à partir des données brutes, une image comme en géométrie planaire, les images sont reconstruites par interpolation entre deux projections correspondantes, obtenues avec la même position angulaire sur deux rotations consécutives. Ces deux projections permettent de reconstruire des coupes à n'importe quel niveau le long de l'axe de déplacement longitudinal du lit d'examen. 24

25 Reconstruction des images Les données brutes acquises constituent une représentation fidèle du volume balayé. Les données de projections, obtenues à partir d'un niveau de coupe spécifique, subissent la rétroprojection filtrée. Le nombre d'images, la taille du champ de visualisation, la position de l'image sur l'axe Z et l'axe de déplacement du lit sont choisis de façon rétrospective, par l'utilisateur pour un volume balayé donné. Scanner monocoupes et multicoupes Scanner monocoupe comporte dans l axe Z une seule couronne de détecteurs. De 500 à 900 éléments sont disposés dans l axe x sur environ 50 en éventail. Une seule coupe est acquise par rotation. Scanner multicoupes comporte de multiples couronnes de détecteurs (de 8 à 64 actuellement). Le principe est la subdivision de la couronne de détecteurs dans l axe Z. 25

26 Scanner multicoupes Ainsi si un scanner monocoupe possède par exemple une couronne avec 900 éléments répartis dans l axe X, le scanner multicoupe équivalent, dans le cas d une subdivision en 16 dans l axe Z possédera une matrice de 900x16 soit éléments. Les scanners actuels utilisent simultanément 16 couronnes réelles ou combinées pour acquérir 16 coupes simultanées par rotation. Des scanners à 32 et 64 coupes par rotation sont d ores et déjà commercialisées. Acquisition des coupes Une coupe peut être obtenue : par la combinaison des signaux de plusieurs couronnes de détecteurs adjacente. ou par une seule couronne de détecteurs 26

27 Effet de cône principal facteur limitant le nombre de coupes simultanées par rotation La projection du faisceau de rayons X représente dans l axe Z un cône. Les rangées centrales de détecteurs sont atteintes perpendiculairement à l axe de rotation, tandis que les rangées les plus externes sont atteintes obliquement par les rayons X. Cette obliquité dégrade la qualité de l image en périphérie et entraîne une réduction de l efficacité des détecteurs périphériques, surtout s ils sont de petite taille. Détecteurs L arrangement des détecteurs dans l axe Z varie selon les constructeurs. - symétriques : tous les détecteurs ont la même largeur - asymétriques : la largeur des détecteurs croit au fur et à mesure qu ils s écartent de la perpendiculaire à l axe de rotation. (compense l artefact de cône) 27

28 Avantages des scanners spiralés et multicoupes La rotation continue du tube à rayons X peut prendre différentes vitesses de rotation (entre 0.6 s et 4 s par tour). La rapidité de rotation permet une acquisition brève, ~ 30 secondes, permettant en particulier son utilisation en pédiatrie. Le scanner hélicoïdal permet de faire l'imagerie des parties du corps, qui sont en mouvement perpétuel comme les pics artériels, les retours veineux. Cette imagerie est rarement possible sur un scanner planaire, car les mouvements involontaires du patient introduisent du flou dans l'image. Avantages des scanners spiralés et multicoupes Le traitement secondaire des informations acquises, permet de faire des reconstructions, 2D multiplanaires (MPR Multiplanar Reconstruction), 3D surfacique, 3D volumique, ou bien encore de l'endoscopie virtuelle d'excellente qualité. Les avantages de cette acquisition hélicoïdale volumique sont multiples et en particulier en ce qui concerne l'étude vasculaire en diagnostic. De nombreuses explorations vasculaires permettent l'analyse des artères et des veines. L'angioscanner hélicoïdal des vaisseaux est une méthode d'analyse vasculaire très fiable, non invasive, rapide et à moindre coût, qui tend à remplacer les techniques invasives. 28

29 «Si tous ceux qui croient avoir raison n'avaient pas tort, la vérité ne serait pas loin.» Pierre Dac 29