GTS503 : Cours 2. Imagerie

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1 GTS503 : Cours 2 Imagerie

2 Présentations GTS503 - C3 : Imagerie 21 janvier

3 Modalités GTS503 - C3 : Imagerie 21 janvier

4 4 Modalités Radiographie

5 GTS503 C2: Imagerie 5 Modalités Fluoroscopie Écran fluorescent : émission de lumière visible lorsque frappé par la radiation ionisante Intensificateur d image : voir les images sous conditions normales (plus de chambre noire) - : forte irradiation

6 6 Modalités Mammographie

7 7 Introduction Les modalités Tomographie Axiale (CT) meded.ucsd.edu/isp/ 1999/surgery/rad02.html web.northnet.org/.../ ct%20scan%20hospital.jpg

8 Notions de physique Ondes, atome et rayonnement GTS503 - C3 : Imagerie 21 janvier

9 9 Notions de physique Les ondes Définition d une onde: Fréquence F ou υ [Hz] : nombre de cycle par seconde Longueur d onde λ [m] : distance entre 2 maximum Vitesse de propagation v ou c [m/s] JT Bushberg et al., 2002

10 10 Notions de physique L atome Noyau = Proton : Élément de charge électrique positive Numéro atomique Z Neutron : Élément sans charge électrique Notation N => Nombre de masse : Différent de la masse atomique ; exemple de l oxygène 16 : 8 protons 8 neutrons A = 16 mais masse = 15,9949 amu Calcul : 011/10/atome1.jpg

11 11 Notions de physique L atome Noyau = Proton Neutron Nuage extranucléique d électrons : Éléments de charge électrique négative Modèle de Bohr : orbites d e- à distance fixe du noyau couches (+ proche au + éloigné = attraction la + forte à la +faible) : n : nbe quantique K (n=1), L (n=2), M(n= ), N, O, P Chaque couche contient 2n 2 e- Niveau d énergie associé JT Bushberg et al., 2002

12 12 Notions de physique L atome

13 13 Notions de physique L atome Énergie de liaison Énergie nécessaire pour retirer un électron complètement de l atome Peut être donnée par un photon ou une forme corpusculaire d une radiation ionisante Augmente avec le nombre de protons dans le noyau ; dépend donc du nombre atomique (Z)

14 14 Notions de physique Cascade d électrons Retrait d un e- par un photon > lacune dans la couche >Lacune comblée par un e- d une couche supérieure Énergie libérée = énergie de liaison couche origine énergie de liaison couche finale = libérée sous forme de photon (rayon X ou e- Auger) JT Bushberg et al., 2002

15 15 Notions de physique Rayonnement électromagnétique Infrarouge : Thermographie Visible : Endoscopie, Microscopie Ultraviolet : Fluoroscopie Rayons X : Radiographie Rayons gamma : Scintigraphie

16 Rappels de physique Rayonnement électromagnétique - Dualité onde/corpuscule 16 Onde Particule sans masse, d énergie Corpuscule Modèle précédent insuffisant pour expliquer les échanges d énergie entre le rayonnement et la matière > physique quantique Photons Ensemble de particules = photons Énergie du photon : h : constante de Planck h = 6.62 x10-34 J-sec = 4.13 x kev-sec Lorsque E est exprimé en en kev et l en nm :

17 17 Notions de physique Ionisation Notion de ionisation : lors d une interaction rayonnement matière : Rayonnement non-ionisant : ne change pas la structure des atomes Rayonnement ionisant : énergie suffisante pour ioniser la matière, i.e. détacher un ou plusieurs e- d un atome. Plusieurs types, dont rx et r- gamma se distinguant par leur mode de production : Rayons gamma > radioactivité, désexcitation nucléaire, transformation du noyau de l atome Rayons X > processus électromagnétiques

18 18 Notions de physique Ionisation On distingue : Les rayonnements directement ionisants : rayonnement constitué de particules chargées électriquement : Particules chargées (e-) Tube à rayons X Les rayonnements indirectement ionisants : rayonnement particulaire et/ou électromagnétique non-chargé électriquement Particules neutres et photons (X, γ) Interactions avec les atomes du corps humain

19 19 Notions de physique Ionisation Ionisation spécifique : Nombre d ions primaires et secondaires produits par unité de longueur du trajet de la particule avec la charge électrique avec la vitesse de la particule incidente

20 20 Interaction avec la matière Transfert linéique d énergie Quantité d'énergie transférée au milieu cible suite à la perte d énergie de la particule chargée Fonction : De l inverse de l énergie de cinétique de la particule incidente augmentation de l ionisation à vitesse plus basse Du carré de la charge

21 Production de rayons X Tubes à rayons X et générateurs GTS503 - C3 : Imagerie 21 janvier

22 22 Production de rayons X Tube de Coolidge Tube à vide : 1. Production d e- par le filament chauffé par un courant 2. Attraction des e- par une cible métallique portée à une forte tension positive (anode) par rapport au filament (cathode) 3. Décélération des e- à l arrivée sur l anode ; transformation de l énergie cinétique en chaleur et en rayons X JT Bushberg et al., 2002

23 23 Production de rayons X Tube de Coolidge Tube à anode tournante Wikipedia, Rotating anode x-ray tube.jpg JT Bushberg et al., 2002

24 24 Production de rayons X Tube de Coolidge Anode Tungstène : Poids atomique élevé Point de fusion élevé > supporte la chaleur (2700 o C) Inclinaison de l anode : pour diriger les photons X Pente forte = petit foyer (poignet) Pente faible = gros foyer (bassin, rachis) Foyer optique : Aire de contact entre l anode et les e- venant de la cathode Anode froide > foyer optique petit > détails de l image meilleurs

25 25 Production de rayons X Tube de Coolidge Anode Les rayons X, ERFPS CHU Hôpitaux de Rouen

26 26 Production de rayons X Tube de Coolidge Cathode Configurations du filament : Tube «universel» : forme circulaire / conique Design Benson : bobine allongée Foyer optique : Taille et forme influencée par la position du filament escoolidge/coolidgeinformation.htm

27 27 Production de rayons X Tube de Coolidge Foyer optique, résumé JT Bushberg et al., 2002

28 28 Production de rayons X Tube de Coolidge Filtration Question : les rayons sortant du tube ont-ils tous la même énergie? NON! Filtration : enlever les rayonnements n ayant pas l énergie désirée, car : Création de flou Dose inutile au patient Par plaque d Al ou de Cu Type : Inhérente : dans le tube Additionnelle JT Bushberg et al., 2002

29 29 Production de rayons X Tube de Coolidge Création de photons X possédant diverses énergies. Dû à 2 mécanismes : Rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung Rayonnement de fluorescence

30 30 Production de rayons X Rayonnement de freinage (Bremsstrahlung) Passage d un e- à proximité d un atome Freinage dû à la charge négative du nuage électronique Déviation due au noyau positif e- à la sortie de l atome : dévié et ralenti = perte d énergie Énergie de freinage : dégagée sous forme de rayon X

31 31 Production de rayons X Rayonnement de freinage (Bremsstrahlung) Poursuite de l e- vers un autre atome Énergie plus faible Donc r-x d énergie différente Énergie des rayons X dépend : De l'énergie cinétique de l'électron De l'attraction du noyau (Charge Z) De la distance entre l'électron et le noyau

32 32 Production de rayons X Rayonnement de fluorescence Collision de l e- incident avec un e- du nuage électronique de l atome > éjection de l e- Cascade d e- : un e- d une couche périphérique vient remplacer l emanquant

33 33 Production de rayons X Rayonnement de fluorescence Émission d un r-x d énergie caractéristique de la transition > spectre de raies Appellation des raies : lettre latine / lettre grecque : Lettre latine = couche d arrivée de l e- (K, L, M ) Lettre grecque : numérotation relative de la couche de provenance de l e- : α : couche immédiatement supérieure β : 2 couches au dessus γ : 3 couches au dessus O_Ernst/Pub_02_2011_O_Ernst/index.htm

34 34 Production de rayons X Rayonnement de fluorescence Exemple : tube avec anode tungstène Couches : K : 69 kev L : 11 kev M : 1 kev Autres : négligeable Énergie de fluorescence K : Énergie max : 69 kev (réarrangement externe - K) Énergie min: = 58 kev (réarrangement K - L) Énergie de fluorescence L : Énergie max : 11 kev (réarrangement externe - L) Énergie min: 11-1 = 10 kev (réarrangement L - M)

35 35 Production de rayons X Spectre de rayonnement JT Bushberg et al., 2002

36 36 Production de rayons X Tube de Coolidge Tension et intensité Effet de la tension : Forme du spectre continu de freinage Énergie maximale des rayons X Énergie cinétique de l e- E=1.6*10-19 [Coulomb] : charge de l e- U : Tension [V] Effet de l intensité du filament : Amplitude du spectre = quantité de rayons

37 Interaction avec la matière GTS503 - C3 : Imagerie 21 janvier

38 38 Interaction avec la matière Atténuation I : nombre de photons après la traversée de la matière I0 : nombre initial de photons x : distance traversée μ : coefficient linéique global d atténuation : fonction du type de tissu traversé

39 39 Interaction avec la matière 2 principaux types : Effet photoélectrique : prédominant aux faibles énergies (<50keV) Effet Compton : prédominant aux fortes énergies (>110keV)

40 40 Interaction avec la matière Effet photoélectrique Un photon X donne la totalité de son énergie à un électron, qui est expulsé Wc : énergie cinétique de l eexpulsé E : énergie du photon incident WL : énergie de liaison de la couche électronique Suit une cascade d électron, donc : Émission d un nouveau photon X Émission d un e- Auger, si photon X assez énergétique Source : Vuillez, J.P., Chap2 : Interactions des rayonnements avec la matière

41 41 Interaction avec la matière Effet photoélectrique Atténuation : d: densité Z : numéro atomique E : énergie des photons k : constante Faible variation de Z = grosse modification du coefficient d atténuation, surtout à basse énergie (E faible)

42 42 Interaction avec la matière Effet Compton Si énergie photon très supérieure à énergie des e- de la couche K : impossible de transférer toute l énergie du photon X à un e- Effet Compton : Une partie seulement de l énergie du photon X permet d éjecter l e- Le photon X est dévié et poursuit sa route

43 43 Interaction avec la matière Effet Compton Source : Vuillez, J.P., Chap2 : Interactions des rayonnements avec la matière

44 44 Interaction avec la matière Effet Compton Atténuation : d: densité E : énergie des photons k : constante Fonction surtout de la densité de matière donc faible variation en fonction des tissus

45 45 Interaction avec la matière Effets photoélectrique et Compton - Résumé 2 mécanismes d atténuation : Photoélectrique : aux faibles énergies Compton : aux fortes énergies Création d un rayonnement X diffusé, de direction différente du rayonnement incident ; le patient devient une source de rayons X

46 46 Interaction avec la matière Choix des kv Très faibles (<30kV) Fort coefficient d atténuation, par effet photoélectrique Absorption de tous les rayons par le patient Irradiation, mais pas d image exploitable Très fort (>150kV) Faible coefficient d atténuation, par effet Compton Peu de variation entre les organes Irradiation, mais pas de contraste de l image

47 Acquisition des rayons X Propriétés de l image GTS503 - C3 : Imagerie 21 janvier

48 48 Propriétés de l image Le flou / la netteté Netteté = absence de flou. 4 types de flou : Géométrique : dimension du foyer non ponctuel (taille de 0.1 à 1.8mm) Cinétique : mouvement du patient et/ou de ses organes durant le temps de pose De récepteur : fonction de la qualité du récepteur De forme : fonction de l objet

49 49 Propriétés de l image Le contraste Différence dans l échelle de gris de l image Haute tension = bas contraste (Compton prédominant) Remarque : Une image peut être floue, si le contraste est suffisant entre deux objets, ils seront distingués. Les rayons X, ERFPS CHU Hôpitaux de Rouen

50 50 Propriétés de l image Contraste et netteté Une image peut être parfaitement nette, mais si deux objets qui la composent ont un contraste insuffisant, ces deux objets ne seront pas distingués Les rayons X, ERFPS CHU Hôpitaux de Rouen

51 51 Propriétés de l image Résolution spatiale = capacité de différencier deux points distants l un de l autre Haute résolution = différencier 2 points très proches Modalité Delta* (mm) Commentaires Radiographie sur films Radiographie digitale Fluoroscopie Mammographie sur film Mammographie digitale CT Limité par la tache focale et la résolution des détecteurs Limité par la taille des éléments de détection Limité par la tache focale et le détecteur Plus haute résolution en imagerie Limité par la taille des éléments détecteur Pixels de 0.5mm

52 Radiographie Conventionnelle Avec amplificateur de luminance Numérique GTS503 - C3 : Imagerie 21 janvier

53 53 Radiographie Tube de Coolidge : produit un faisceau de RX Faisceau incident et homogène de RX Patient atténuant le faisceau de RX Faisceau sortant (transmis) de RX hétérogène: image radiante Appareil de détection reçoit le faisceau transmis

54 54 Radiographie Conventionnelle : L écran-film Émission d un rayonnement par l écran sous l effet du rx Création d une image latente par impression du film sensible Film à base de bromure d argent Révélation de l image latente par procédés chimiques JT Bushberg et al., 2002

55 55 Radiographie Amplificateur de luminance Radiographie conventionnelle : problème d intensité lumineuse Amplificateur de luminance : 2 écrans convertisseurs et un tube à vide. 1 er écran : conversion des rx en photons lumineux et libération d e- de faible luminance Tube à vide : accélération des e- et focalisation > intensité signal 2 ème écran : recueil des e- accélérés et conversion en image de forte intensité

56 GTS503 - C3 : Imagerie 56 Radiographie Numérique Écrans radio luminescents à mémoire (ERLM) = écrans photostimulables = plaques au phosphore Image latente Lecture par laser Émission d un signal de luminescence Guidage vers un tube photomultiplicateur (compte des photons) > obtention d un signal électrique correspondant à la matrice image Réinitialisation par lumière blanche intense : suppression de l énergie résiduelle > plaque réutilisable

57 57 Radiographie Numérique : avantages par rapport au conventionnel Visualisation directe, stockage, transmission Dose patient inférieure car moins de reprise de l examen Post-traitement facilité

58 58 Traitement digital vs analogue JT Bushberg et al., 2002

59 Tomodensitométrie CT-Scan GTS503 - C3 : Imagerie 21 janvier

60 60 Tomodensitométrie Historique Dates : 1972 : mise au point par Godfrey Newbold Hounsfield, d après les travaux de Allan MacLeod Cormack 1979 : prix Nobel de médecine Premiers prototypes : Uniquement le cerveau 2h30 pour une seule coupe

61 61 Tomodensitométrie Principes JT Bushberg et al., 2002

62 62 Tomodensitométrie Principes Techniques de l ingénieur, Tomographie à rayons X

63 63 Tomodensitométrie Principes JT Bushberg et al., 2002

64 64 Tomodensitométrie CT-Scan hélicoïdal Rapidité : ~30secondes Notion d interpolation Imagerie de mouvements perpétuels (ex : retour veineux) ; impossible en scanner planaire car flou du fait des mouvements involontaires du patient

65 Ultrasons L échographie GTS503 - C3 : Imagerie 21 janvier

66 66 Ultrasons Définition Son de fréquence > Hz Modification de la vitesse en fonction du milieu : Air : 300 m/s Milieu aqueux : 1500 m/s Tissus mous : 1540 m/s Os : 4080 m/s Impédance : résistance des tissus au passage des ultrasons : Z = ρ*c

67 67 Ultrasons Absorption Loi d atténuation : Coefficient d absorption : Tissu μ [db/cm/mhz] Sang 0.1 Graisse 0.5 Foie 1 Muscle 1.5 Os 10 Poumon 20 f absorption => Régions profondes = fréquences basses

68 68 Ultrasons Réflexion et réfraction PACES , Sons et ultrasons

69 69 Ultrasons Échographie : Animation

70 70 Ultrasons Échographie Doppler Émission d une onde de fréquence f Réception d une onde de fréquence f, fonction de la vitesse de l émetteur et/ou du récepteur Utilisé pour l étude du flux sanguin par exemple

71 71 Ultrasons Échographie Doppler : Animation

72 GTS503 Cours 3 À la semaine prochaine!

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