Les bases physiques de l'imagerie radiologique

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1 Les bases physiques de l'imagerie radiologique

2 Radiographie 1895 Röentgen Découverte des propriétés des rayons X par Roentgen. Les rayons X permettent de voir uniquement l'os, le poumon et les produits de contraste artificiels.

3 L'image radiologique Procédé d imagerie utilisant des Rayons X 1895 (Roëntgen) 1995

4 composants de la chaîne image radiologique Tube émetteur de rayons X Ensemble de collimation Détecteur Moniteur Calculateur

5 La production des Rayons X rappels le tube radiogène (Coolidge 1906) le spectre continu le spectre de raies

6 Production des Rayons X On bombarde une cible métallique (anode) par un faisceau d électrons accélérés. + - i vide RX P e = ½ k i Z U 2 avec k = 10-9 cathode anode Z - + U U = 30 à 160 kv Deux mécanismes simultanés vont se produire

7 La Fluorescence électron extérieur ou plus périphérique photon X E émis = E dest. - E orig. Spectre de RAIES (sauts quantiques) (valeur fonction du type d atome de la cible)

8 Le rayonnement de freinage E cin. d e - photon X L énergie cinétique perdue est fonction de la distance d entre trajectoire et axe du noyau. Spectre CONTINU (valeur maximale E max = E cin. de la particule incidente)

9 Interaction : atténuation Effet Compton : si forte énergie interaction avec e - périphériques photons diffusés µ photon incident photon diffusé électron Compton +90 eau Effet photo-électrique e - profonds absorption 0,2 0,1 plage de prédominance photoélectrique τ plage de prédominance Compton σ Kev

10 Spectre des Rayons X dn de Spectre de RAIES Spectre CONTINU autoabsorption EL EK Emax E

11 Un peu de technologie Dissipation importante de chaleur Puissance émise : P e = ½ k i Z U 2 Puissance consommée : P c = Ui P c >> P e P e / P c 1 % Refroidissement indispensable Limiter l usure prématurée (cratérisation)

12 Un peu de technologie Dissipation importante de chaleur Puissance émise : P e = ½ k i Z U 2 Puissance consommée : P c = Ui P c >> P e P e / P c 1 % Refroidissement indispensable Métal résistant (Tungstène : Tf=3600 C) Fluide caloporteur Anode tournante (disque biseauté)

13 L anode tournante RX e - anode cathode 9000 t/min

14 L image radiologique la formation

15 L image radiologique Image de l atténuation d un faisceau de rayons X par le tissu traversé Tube RX Objet µ faible µ élevé Image Radiante Image Reproduite Détecteur

16 Imagerie d atténuation L image radiologique n est pas l image de l objet lui-même mais la projection sur un plan des valeurs µ des coefficients d atténuation de chaque structure atteinte par les rayons X.

17 Le film RX : le détecteur Le film photographique constitue le détecteur «classique» en radiologie. RX émulsion support plastique transparent Révélation, Fixation et Lavage Molécule d argent Ion Ag+ qui devient opaque par révélation

18 Difficultés de vocabulaire Par analogie avec la lumière : Quand les rayons X atteignent le film, ils provoquent un noircissement, mais comme ils ont traversé le corps, on parle de clarté Dans les zones non exposées, le film reste transparent, mais comme les rayons ont été arrêtés on parle d'opacité

19 L image radiologique de la théorie à la pratique

20 Etapes de la formation de l image (1) effet photo-électrique un seul photon arrêt Tube RX Objet Détecteur effet binaire : 1 ou 0 : tout ou rien

21 Etapes de la formation de l image (2) effet photo-électrique beaucoup de photons Tube RX Objet Détecteur modulation : somme d effets binaires

22 Images élémentaires Bord Ligne Bande Cercle Clarté Opacité

23 Signe de la silhouette Face Profil

24 De quoi dépend la modulation? Puissance émise par le tube P e = Energie reçue par le détecteur E = 1 2 k Z. I V k. Z. I. V t. 4π. d 2 Paramètre Nombre de photons Energie des photons Fluence (E/S) Facteur I ou t V d Noircissement

25 formation géométrique de l image radiante

26 L équation d'atténuation L'atténuation dépend de µ et x I = Io. e - µx Le noircissement du film est la traduction visuelle des variations locales du facteur d'atténuation.

27 Les variations de µ Les coefficients d atténuation : µ τ Z 4,5 / E 3,5 (photo-élect.) µ σ E, varie peu avec Z (Compton) Les principaux milieux : les os (sternum, côtes et rachis) les tissus mous et le sang (équivalents à l eau) l air dans les voies respiratoires

28 Courbes de µ τ selon Z µ τ eau CaP Compton Pb air Cu 10 kev 100 kev 1 MeV E

29 Atténuation globale Energie(keV) µ/ρ Tissu mou µ/ρ Os 40 24, m 2.kg -1 54, m 2.kg , m 2.kg -1 17, m 2.kg , m 2.kg -1 10, m 2.kg -1

30 influence de E sur le contraste

31 Influence de µ, x et E x Objet µ Image µ élevé µ faible µx moyen µx élevé µx "seuil" énergie élevée

32 Contraste entre 2 objets Différence épaisseur et Z Épaisseur totale traversée : compression Prédominance épaisseur / Z selon KV Diffusé haute tension basse tension x 1 x 2 x 1 x 2 faible épaisseur I 1 I 2 grande épaisseur I 1 I 2 I 2 Z 3 I 1 I 2 I 1 ρ

33 Clichés radiologiques standards Normal Pathologique

34 Dégradation de l image

35 le rayonnement diffusé Lié à l'effet Compton faisceau objet détecteur

36 diffusé Source = objet radiographié Dans toutes les directions Baisse le contraste tube diaphragme monoplan diaphragme multiplan Augmente avec : énergie l-h augmentation de l-h pour diminuer le flou géométrique localisateur section épaisseur h diffusé n'atteignant pas le film

37 solution : la grille anti-diffusante Grille Film G F Potter

38 Le diffusé et le radiologue faisceau primaire tube RX rayonnement diffusé écran plombé

39 Facteurs géométriques Agrandissement foyer avec M=coefficient de magnification l=distance foyer-film h=foyer structure-film l h M = l l-h M=2

40 Dégradation de l image : agrandissement déformation

41 solution : distance source-patient 1,5 à 1,8 m faisceau pratiquement parallèle

42 Facteurs géométriques Déformation α #90 foyer objet foyer objet image α=β β = 90 image plan de projection plan de projection La cassette doit rester parallèle à l objet radiographié

43 Facteurs géométriques Flou géométrique (de foyer) d foyer foyer d h objet l-h contours de l'image de l'objet l objet de petite taille chevauchement des zones de pénombre ombre p pénombre I1 I1 I 1 I 2 I 2 Diminué si petit foyer, l grand et h petit

44 la perte de résolution taille de la source de rayons X résolution actuelle 1 mm Solutions : contrôle de qualité de l anode, anode tournante nouveaux procédés : laser haute énergie

45 Facteurs géométriques Flou cinétique Vitesse maximale des bords du cœur = 40 cm/s Si temps pose = 1/100ème s Alors flou = 4mm foyer Donc : - immobilité - temps de pose court - diminution objet-film bords en mouvement zones de pénombre

46 le flou le flou dynamique affecte : Le cœur Les poumons Solutions : immobilisation - apnée courte durée de prise d image (1/10 e de seconde) séquence rapide de clichés : 50 à 100 images/s synchronisation

47 les superpositions addition de l atténuation µ faible µ élevé Solutions : clichés de profils - positionnement du patient compression (ballon )

48 Les problèmes de dosimétrie La Directive Européenne «patient» optimisation réduction de la dose délivrée au patient respect de la qualité nécessaire pour l interprétation justification respect des guides de bonne pratique et des SOR Comment réduire l irradiation sans nuire à la qualité de l image? Utilisation des filtres la sensibilité de détection: ampli. de luminance

49 L utilisation de filtres L interaction «utile» à l image radiologique : l effet photo-électrique La dose délivrée dépend de l énergie trop forte, elle favorise le diffusé (zone Compton) trop faible, elle est complètement absorbée Se situer dans la partie médiane de la courbe µ de µ τ PE E

50 Les filtres métalliques on les interpose entre le tube et le patient plaques de cuivre et/ou d aluminium d épaisseur variable arrêtent surtout les basses énergies modifient la forme du spectre des rayons X entraînent le «durcissement» du faisceau.

51 Modification du spectre dn de sans filtre avec filtre Cu/Al EL EK Emax E

52 doses typiques de différents examens radiologiques Examen Poumon Bassin Cervical (face) Rein Lombaire (profil) Sein Scanner X Doses typiques en mgy 0,25-0, , (?) 5 20 (?) Niveau de référence européen 0, ! " #

53 Différents détecteurs Film radio Écran de brillance Plaques «phosphore» Détecteurs plan numérisation

54 Systèmes film-écran Structure Réponse voile de base pied proportionnelle épaule saturation

55 Améliorer la sensibilité : l écran renforçateur film écrans 1 mm

56 Systèmes film-écran base écran phosphore émulsion base film émulsion écran phosphore base couches anti cross-over Film conventionnel Amélioration Kodak

57 L amplificateur de luminance électrodes déflectrices Photon X e - Photons visibles écran d entrée Augmentation de la densité de lumière écran de sortie

58 La radiologie télévisée amplificateur de luminance tube TV moniteur TV Réduction importante de la dose délivrée Amélioration du positionnement Champ réduit, limitation de la résolution spatiale Facilite la radiologie interventionnelle

59 Plaque photostimulée Stimulation-Laser Luminescence Rayon-X Plombage Vue de face Phosphore - couche Couche (Pb) Couche (alliage Magnésium)

60 Capteur : plaques Plaques électroluminescentes ou photostimulables

61 Luminescence Photo-stimulée

62 Le capteur RX numérique RX F Br Ba I Cs Se Lecture directe par laser ou matrice de transistors

63 Convertisseur Pixel Amplificateurs CMOS Lignes d adressage A/D matrice active asi:h sur verre

64 différents types de détecteurs $ %

65 Les 3 critères de qualité image &

66 Le Contraste I I 1 2 Définition : C = I1 + I2 dépend directement de 10% I = Io. e µx 20% 50%

67 Les modificateurs de contraste Adapter les réglages de V (kv) et de i.t (mas) Diminuer le µ d un milieu Renforcer le µ d un milieu

68 Adaptation des réglages Examen d Tension Intensité Temps de pose a Poumon face 1,8 m 135 kv 250 ma 20 ms b Poumon face (enfant) 1,5 m 80 kv 250 ma 16 ms c Gril costal 1 m 55 kv 520 ma 250 ms d Abdomen 1 m 70 kv 600 ma 200 ms

69 Les modificateurs de contraste Adapter les réglages de V (kv) et de i.t (mas) Diminuer le µ d un milieu air (poumon digestif) remplace localement le tissu Clichés en inspiration-expiration, eau gazeuse Renforcer le µ d un milieu

70 Les modificateurs de contraste Adapter les réglages de V (kv) et de i.t (mas) Diminuer le µ d un milieu Renforcer le µ d un milieu sels de baryum (tube digestif) remplissent une cavité composés iodés (vaisseaux) se diluent dans le sang repères métalliques (clips et prothèse) implantés

71 Les modificateurs de contraste Adapter les réglages de V (kv) et de i.t (mas) Diminuer le µ d un milieu Renforcer le µ d un milieu Combiner les deux types d agents Exemple : sels de baryum puis air Modifier le comportement de l'organisme diurétiques : urographie UIV médicaments cardiovasculaires aliments : pour vider la vésicule biliaire

72 Sels de baryum et air

73 Produit de contraste iodé

74 Contraste métallique

75 Applications de la radiologie Document médico-légal : L image devient la «preuve» Importance de l archivage Radiologie interventionnelle : cathétérisation prise de pressions, prélèvements biopsie guidée, exérèse désobstrution, embolisation pose de dispositifs endo-vasculaires (stent, ombrelle...)

76 Analogique Petit historique Radiographies standard 1900 Changeur automatique de films 1940 Radiocinéma 1960 Amplificateur de luminance + TV 1970 Numérique Amplificateur + TV + codeur AN 1980 Numériseur de film radiologique 1995 Capteur numérique 1995

77 Les enjeux du numérique Médicaux Standardisation du dossier imagerie Distribution simultanée du dossier patient (PACS) Réduction des clichés «ratés» Dosimétrie plus faible Techniques Soustraction d images / contraste Transmission à distance Amélioration de l archivage (rapidité sécurité) Réduction du «coût» des archives

78 analogique numérique

79 Angio. numérique après soustraction du masque Tumeur de la fesse

80 Situation actuelle : radiologie Le scanner X est numérisé Toute la radiologie n est pas du scanner : les clichés plans : poumons, ostéo-articulaire les clichés à haute résolution: mammographie certains examens spécialisés : examens vasculaires examens digestifs

81 avec nos sincères remerciements pour son aide précieuse dans la réalisation de ce document à notre ami le Pr Jean Yves Devaux (St Antoine) année