l’ image radiologique part 2 cours du 11 09-2012
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
L’ image radiologique
Jean-Marc NIGOUL
Service de radiothérapie
CHU La Timone
DE Manipulateur deuxième année – année 2012-2013
DE Manipulateur - L'image radiologique 2
Phénomènes physique de base
Production de rayons X
Interactionsélectrons-matière
Tube RX
Formation del’image radiologique
Détecteur
Interactionsphotons-matière
Formation del’image radiante
Interactionsphotons-matière
Patient
DE Manipulateur - L'image radiologique 3
L’ image radiologique
1) Production des RX2) Formation de l’image radiante3) Détection de l’image radiante4) Critères de qualité de l’image5) Facteurs déterminants l’exposition6) Conclusion
DE Manipulateur - L'image radiologique 4
Production des RX
• Généralités
• Interactions électrons-matière : formation des RX
• Tube RX
DE Manipulateur - L'image radiologique 5
Les rayons X - Généralités
RX = rayonnements électromagnétiques
DE Manipulateur - L'image radiologique 6
La quantité d'énergie (E) transportée par les rayonnements électromagnétiques est proportionnelle à la fréquence (ν) :
E = h . ν = h . c/λ
Le facteur de proprortionnalité (h) est la constante de Planck (h=6,62 10-34 J.s). L'unité souvent utilisée pour quantifier l'énergie des rayonnements électromégnétiques est le Kilo- ou le Méga-électronvolt (KeV ou MeV).
Les rayons X - Généralités
DE Manipulateur - L'image radiologique 7
Les rayonnements électromagnétiques >10 KeV sont des rayonnements ionisants et sont, à ce titre, considérés comme dangereux.
Les examens d'imagerie utilisant les rayons x (radiographie et tomodensitométrie) et les rayons γ (scintigraphie) sont accompagnés de mesures de précautions et sont encadrés par une réglementation permettant de limiter les risques pour la santé.
Les rayons X - Généralités
DE Manipulateur - L'image radiologique 8
Formation des RX
Deux mécanismes sont à l'origine de la formation des rayons x dans un tube radiogène : le rayonnement de freinage (ou bremsstrahlung)l'émission caractéristique.
Dans les 2 cas: 1 flux d'électron est lancé à grande vitesse sur une cible matérielle.
DE Manipulateur - L'image radiologique 9
Le rayonnement de freinage = le mode principal de formation
des rayons x en radiologie.
L’e- passe à proximité du noyau et se trouve attiré par sa charge. L'électron est dévié et ralenti. La perte d'énergie engendrée se retrouve sous la forme de l'émission d'un ou de plusieurs rayons X.
Formation des RX – Rayonnement de freinage
DE Manipulateur - L'image radiologique 10
Formation des RX – Rayonnement de freinage
L'énergie des rayons x dépend de 3 paramètres : 1) L'énergie cinétique de l'électron, 2) L'attraction du noyau, c'est à dire sa charge (Z), et 3) La distance entre l'électron et le noyau, qui est
aléatoire.
Les rayons X ainsi produits peuvent avoir toutes les énergies possibles entre 0 et l'énergie cinétique des électrons.
Spectre continu
DE Manipulateur - L'image radiologique 11
L’e- incident vient percuter un e- (couche K) et parvient à l'éjecter. L’e- (couche L ou M) comble le vide. La différence d'énergie de liaison entre les 2 couches se retrouve sous la forme de l'émission d'un rayon X.
L'émission caractéristique = phénomène mineur dans la production des rayons x.
Formation des RX – Émission caractéristique
DE Manipulateur - L'image radiologique 12
L'énergie de liaison des e- étant unique pour chaque couche et chaque atome, le spectre d'énergie des RX émis est caractéristique de l'atome en question.Il s'agit d'une émission dont l'énergie ne dépend que de l'atome constituant la cible.
Spectre de raies
Formation des RX – Émission caractéristique
DE Manipulateur - L'image radiologique 13
La quantité de RX produits dans un tube dépend de :
- la quantité d’e- lancés sur la cible,
- de leur Ec (pour l'émission générale)
- de la taille du noyau.
L'atome utilisé dans la majorité des tubes radiogènes utilisés en radiodiagnostic est le Tungstène (W). La majorité des rayons x sont
produits par rayonnement de freinage.
Spectre d’émission des RX
DE Manipulateur - L'image radiologique 14
Au rayonnement de freinage, vient s'ajouter des raies correspondant à l'émission caractéristique du Tungstène, car la cible est constituée
de Tungstène dans les tubes radiogènes classiques.
Spectre d’émission des RX
DE Manipulateur - L'image radiologique 15
Caractéristiques d’un tube RX
Le tube RX est composé d'une cathode, responsable de l'émission d’e-, d'une anode, source de production des RX et d'une enveloppe protectrice radiotransparente (gaine en verre ou en pyrex) assurant le vide, une isolation électrique ainsi qu’une protection thermique.
DE Manipulateur - L'image radiologique 16
La cathode est 1 filament spiralé d’où sont émis les e- par un mécanisme de thermo-émission (effet EDISON). Les e- libérés par la haute T° sont soumis à une ddp et sont précipités sur l'anode avec une grande vitesse.
Sur certains appareils, la cathode est composée de deux filaments de taille différente (petit ou grand filaments).
Caractéristiques d’un tube RX – La cathode
DE Manipulateur - L'image radiologique 17
Les e- accélérés viennent percuter la cible (anode) produisant ainsi des RX. Sa surface de bombardement s'appelle le foyer. Elle est généralement composée de tungstène car il a un numéro atomique élevé (Z=74), qui favorise le rendement, mais aussi une température de fusion élevée (3410 degrés). Le rendement de production est très faible (1%) le reste de l’E se retrouve sous forme de chaleur. La surchauffe, dépend de la concentration en électrons sur l'anode et de leur énergie.
Caractéristiques d’un tube RX – L’anode
DE Manipulateur - L'image radiologique 18
Caractéristiques d’un tube RX – L’anode
Ils conditionnent la charge thermique et la définition de l’image
Le foyer thermique (ou foyer réel) qui correspond au point d’impact des électrons sur le disque de l’anode.
Le foyer optique (ou foyer virtuel) qui correspond à la projection géométrique du foyer thermique.
Le foyer
DE Manipulateur - L'image radiologique 19
Caractéristiques d’un tube RX – L’anodeLe foyer
DE Manipulateur - L'image radiologique 20
Effet talon de l’anode
Phénomène d’autant plus important qu’on est en petit foyer donc l’utilisation de grands champs n’est pas recommandée au petit foyer.
Caractéristiques d’un tube RX – L’anode
DE Manipulateur - L'image radiologique 21
Caractéristiques d’un tube RX – Le filtre
Placé contre la fenêtre de sortie de la gaine en verre, il permet d’homogénéiser l’énergie du faisceau X en éliminant les photons de trop faibles énergies.
Classiquement, pour des tensions de 60 à 120 kV, on préconise une filtration d’environ 2 mm d’aluminium.
Au delà de 120 kV, on préconise une filtration d’environ 2mm de cuivre et d’aluminium.
DE Manipulateur - L'image radiologique 22
Enveloppe de protection (3 à 5 mm de plomb)Elle contient l’ensemble du tube et permet d‘en assurer une protection électrique, thermique (évacuation de la chaleur) et mécanique tout en assurant la protection des utilisateurs contre les rayonnements de fuite.
Caractéristiques d’un tube RX – Gaine plombée
Fenêtre de sortie pour les RX
DE Manipulateur - L'image radiologique 23
Son rôle est multiple, il doit:- appliquer une U (KV) au tube. La valeur et la forme de la HT détermine la qualité du rayonnement
- chauffer la cathode pour obtenir l’ I (mA) désirée dans le tube
- déterminer le temps d’application de la HT c-à-d l’exposition (s)
- assurer la sécurité du tube, vérifier que les valeur de U, I et exposition sont acceptables pour le tube.
L’alimentation d’un tube RX – Le générateur
DE Manipulateur - L'image radiologique 24
La console de contrôle permet à l'opérateur d'ajuster les 3 paramètres d'exposition radiographie : la tension (kV), l'intensité (mA) et le temps de pose (ms).
kV mA ms
Quantité X X X
Energie X
La console de contrôle
DE Manipulateur - L'image radiologique 25
L’ image radiologique
1) Introduction2) Formation de l’image radiante3) Détection de l’image radiante4) Critères de qualité de l’image5) Facteurs déterminants l’exposition6) Conclusion
DE Manipulateur - L'image radiologique 26
Phénomènes physique de base
Production de rayons X
Interactionsélectrons-matière
Tube RX
Formation del’image radiologique
Détecteur
Interactionsphotons-matière
Formation del’image radiante
Interactionsphotons-matière
Patient
DE Manipulateur - L'image radiologique 27
Formation de l’image radiante
Après la traversée d’un milieu, le faisceau X est atténué et modifié en fonction des structures rencontrées.
Ce faisceau est aussi appelé image radiante.
DE Manipulateur - L'image radiologique 28
L'image radiante est formée par les différences d'atténuation du faisceau de RX dans les milieux traversés. L'atténuation des rayons x par la matière organique varie en fonction:•de l'épaisseur des objets, •de leur composition physique et chimique, •de l'énergie des rayons x.
De plus, un rayonnement secondaire diffusant dans toutes les directions se forme lors du passage du faisceau de RX dans la matière, mais dégrade la qualité de l'image.
Formation de l’image radiante
DE Manipulateur - L'image radiologique 29
Trois évènements peuvent se produire :
•les rayons x traversent sans être affectés : ces rayons forment les parties les plus noires de l'image radiographique (A)
•les rayons x sont arrêtés : la proportion de rayons x arrêtés conditionne le niveau de gris visibles sur l'image radiographique (B,C et D)
•les rayons x sont déviés et forment le rayonnement diffusé qui forme un voile uniforme sur l'image radiographique et a des conséquences sur la radioprotection.
Formation de l’image radianteLe faisceau de rayons X est progressivement atténué lors de son passage à travers la matière.
DE Manipulateur - L'image radiologique 30
Les différences d'atténuation entre les régions sont responsables des différences de niveau de gris de l’image radiologique. Le différentiel d'atténuation est lié à la densité des objets et aux numéro atomique des atomes constituants.
L'introduction de produits de contraste radiographiques ou l'utilisation d'autres méthodes d'imagerie, permettent d'améliorer la résolution en contraste.
Métal OsEau
(tissus mous)
Graisse Air
L’image radiologique
DE Manipulateur - L'image radiologique 31
Le coefficient d'atténuation µ exprime la probabilité pour un photon de subir une interaction.
Photons incidents
Photon primaire
Photon diffusé
Absorption partielle d'énergie électron
électronAbsorption totale d'énergie
MILIEU
EffetCompton
Effetphotoélectrique
I0 I
I = I0 exp (-x
• Épaisseur de milieu• Nature du milieu Z• Énergie des photons
Interactions RX-matière
DE Manipulateur - L'image radiologique 32
E = Ea + Es
• L’énergie perdue par le fx incident (atténuation) se retrouve sous deux formes :
- Une partie EA est absorbée par le milieu (Ec des e- secondaires).
- Une partie ES est diffusée et sort de la matière dans une direction différente de la direction du faisceau initial (E des photons
secondaires).
Interactions RX-matière
DE Manipulateur - L'image radiologique 33
Énergie (MeV)
H2O
Co
effi
cien
t d
’att
énu
atio
n l
inéi
qu
e (c
m-1)
Interactions RX-matière
DE Manipulateur - L'image radiologique 34
- Absorption, par un atome, de la totalité de l’énergie E du photon incident.
- Ejection d’ 1 e- de sa couche électronique (énergie de liaison W) qui a une Ec = E-W.
- Ionisation de la couche à laquelle appartenait l’e-
- Emission de photons de fluorescence.
Interactions RX-matièreEffet photoélectrique
DE Manipulateur - L'image radiologique 35
La probabilité d'interaction par un effet photoélectrique est proportionnelle à la densité du matériel et au cube du numéro atomique des atomes constituants. Les atomes de numéro atomique élevé, comme le plomb (Z = 82) arrêtent plus facilement les rayons X par un effet photoélectrique que les atomes de numéro atomique faible (carbone, hydrogène, oxygène, azote) composant la matière organique.
L'effet photoélectrique est l'effet principal dans les matières organiques lorsque les rayons x sont de relativement faible énergie. On considère que l'effet photoélectrique est l'effet majeur pour des tensions inférieures à 70 kV.
Interactions RX-matièreEffet photoélectrique
DE Manipulateur - L'image radiologique 36
Le résultat de l'effet Compton est :-une déviation avec une perte d'énergie du RX, -la production d'un électron -la production d'un ion positif.
La probabilité d'interaction par un effet Compton ne dépend que de la densité du matériel et ne dépend pas du numéro atomique.
Effet Compton
Interactions RX-matière
DE Manipulateur - L'image radiologique 37
L'effet Compton est prépondérant dans les tissus organiques avec des rayons x de forte énergie (tension > 100 kV).
Le rayonnement diffusé ou secondaire provient du patient. La quantité de rayonnement diffusé augmente avec l'énergie des rayons x et le volume irradié, c'est-à-dire l'épaisseur radiographiée et la taille du champ.
Le rayonnement diffusé diminue le contraste de l'image.
Interactions RX-matièreEffet Compton
DE Manipulateur - L'image radiologique 38
Effet de la tension KV sur le contraste de l’image
L'effet photoélectrique est prépondérant aux basses tensions (50 - 70 kV) tandis que l'effet Compton est prépondérant aux hautes tensions (>100 kV). Le contraste obtenu par l'effet photoélectrique est relativement bon car il fait intervenir à la fois les différences de densité entre les milieux mais aussi les différences de numéro atomique.
Lorsque la tension est basse (<70 kV) l'image radiographique est plus contrastée que lorsque la tension est haute (>100 kV).
Le contraste diminue progressivement lorsque la tension augmente.
Interactions RX-matière
DE Manipulateur - L'image radiologique 39
Formation géométrique de l’imageL’image radiologique est une ombre projetée d’objets plus ou moins opaques aux RX.L’image radiologique est une représentation en deux dimensions d’une épaisseur complexe.La conicité du faisceau RX et l’orientation du rayon directeur entraînent une déformation des structures radiographiées.Il en résulte une perte d'information quant à la position (profondeur) et la forme exacte des objets.Une deuxième vue, prise la plupart du temps avec une incidence perpendiculaire à la première, est nécessaire pour évaluer la position et la forme des objets dans l'espace.La projection de l’image radiologique obéit à des règles géométriques très simples.
DE Manipulateur - L'image radiologique 40
Formation géométrique de l’image – 1° règle
I = O ( fi / fo ) fi = distance foyer film
fo = distance foyer objet
Mais en général :
objet anatomique = plusieurs plans + ou – éloignés
donc agrandissements
La projection forme une ombre qui est généralement plus grande que l’objet, c’est l’agrandissement (distorsion de taille).
DE Manipulateur - L'image radiologique 41
Formation géométrique de l’image – 2° règle
I2 = O ( fi / fo2 ) > I1 = O ( fi / fo1 )
car fo2 < fo1
Déformations
2 objets égaux (o) à des distances différentes du détecteur et du foyer forment des images inégales. Le plus éloigné du détecteur donne l’image la plus grande.
DE Manipulateur - L'image radiologique 42
Formation géométrique de l’image – 3° règleUne projection perpendiculaire agrandit mais ne modifie pas la forme d’un objet parallèle au plan du détecteur mais une projection oblique non perpendiculaire au plan du capteur, modifie dans tous les cas la forme de l’objet (distorsion de forme).
DE Manipulateur - L'image radiologique 43
a: 2 cotés parallèles au film, b: aucun coté parallèle au film
Formation géométrique de l’image – 4° règle1 objet dont le plan principal est oblique par rapport au plan du détecteur est déformé par la projection normale ou oblique.
DE Manipulateur - L'image radiologique 44
Formation géométrique de l’image – 5° règle• 1 objet disposé perpendiculairement au plan du film, ou + exactement dans le sens de propagation des rayons donne une ombre (linéaire) à peine discernable.• Pour rendre visible un tel objet, il faut faire une projection légèrement oblique, l’objet donne alors une ombre très déformée mais interprétable.
DE Manipulateur - L'image radiologique 45
Formation géométrique de l’image – 5° règle• 2 objets superposés dans le sens de propagation des RX forme une ombre composite où les objets ne sont discernables que par différence d’opacité.• Par projection oblique les 2 objets peuvent être séparés; le + éloigné s’écarte en direction opposée à celle du foyer de RX.
DE Manipulateur - L'image radiologique 46
L’ image radiologique
1) Introduction2) Formation de l’image radiante3) Détection de l’image radiante4) Critères de qualité de l’image5) Facteurs déterminants l’exposition6) Conclusion
DE Manipulateur - L'image radiologique 47
La détection de l’image radiante
Le faisceau qui a traversé le sujet transporte une image radiante qui sera visible par transformation et donnera l’image radiologique.
La radioscopie permet de visualiser des images en temps réel (mode dynamique).
La radiographie permettant d’obtenir une image « figée » (mode statique) .
DE Manipulateur - L'image radiologique 48
Différents systèmes avec amplificateur de luminance
A : système avec tube sous la table
B : système fixe à arceau
C: système mobile à arceau
A
BC
DE Manipulateur - L'image radiologique 49
DE Manipulateur - L'image radiologique 50
Son rôle est double:• Intercepter le fx RX et le convertir en photons lumineux
(dans le domaine du visible)• Amplifier ou intensifier ce signal lumineux
Détections des RX – RadioscopieL’amplificateur de luminance
DE Manipulateur - L'image radiologique 51
Amplificateur de luminance
Son principe: Amplifier le signal par accélération et focalisation des électrons
DE Manipulateur - L'image radiologique 52
1 écran fluorescent constitué d’une couche de phosphore qui transforme les RX (20 à 120 keV) en photons lumineux (1,5 à 3 keV).
1 photocathode dans laquelle les photons lumineux libèrent des e-. Ces électrons sont libérés par effet photo-électrique.
Détections des RX – RadioscopieLa fenêtre d’entrée
DE Manipulateur - L'image radiologique 53
Plus elle est épaisse et meilleure est l’efficacité et moins on a besoin de dose
Mais on augmentera la diffusion des photons et donc on diminuera la résolution spatiale
Epaisseur comprise entre 300 et 450 µm
Afin d’augmenter l’efficacité de conversion le coefficient d’atténuation du phosphore d’entrée doit correspondre au spectre RX émis à la sortie du patient.
Choix actuel CsI:Na (absorption plus importante)
Détections des RX – RadioscopieLa couche de phosphore