Cours 2 · •Particules chargées (e-) •Tube à rayons X ... des rayonnements avec la matière...

Imagerie

GTS503 : Cours 2

Présentations

21 janvier 2013 2 GTS503 - C3 : Imagerie

Modalités


Modalités Radiographie

http://info.med.yale.edu/library/exhibits/curie/curie-2.html http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/xrays.html

4 GTS503 – C2 : Imagerie

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

5 GTS503 – C2: Imagerie

Modalités Mammographie


Introduction Les modalités – Tomographie Axiale (CT)

meded.ucsd.edu/isp/ 1999/surgery/rad02.html web.northnet.org/.../ ct%20scan%20hospital.jpg


Notions de physique

Ondes, atome et rayonnement


• 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]

Notions de physique

Les ondes

JT Bushberg et al., 2002


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 :

http://sixpiedssurterre.files.wordpress.com/2011/10/atome1.jpg


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 2n2 e-

• Niveau d’énergie associé JT Bushberg et al., 2002


Notions de physique

L’atome

http://www.ostralo.net/3_animations/swf_resumes/Atome.swf


http://www.ostralo.net/3_animations/swf_resumes/Atome.swf

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)


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)



Notions de physique

Rayonnement électromagnétique

• Infrarouge : Thermographie

• Visible : Endoscopie, Microscopie

• Ultraviolet : Fluoroscopie

• Rayons X : Radiographie

• Rayons gamma : Scintigraphie


• 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 :

•

• Lorsque E est exprimé en en keV et l en nm :

Rappels de physique

Rayonnement électromagnétique -

Dualité onde/corpuscule

h : constante de Planck h = 6.62 x10-34 J-sec = 4.13 x 10-18 keV-sec


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


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


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


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


Production de rayons X

Tubes à rayons X et générateurs



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




Tube de Coolidge – Tube à anode tournante


Wikipedia, Rotating anode x-ray tube.jpg



Tube de Coolidge – Anode

• Tungstène : • Poids atomique élevé

• Point de fusion élevé >

supporte la chaleur (2700 oC)

• 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

• Inclinaison de l’anode : pour diriger les

photons X

• Pente forte = petit foyer (poignet)

• Pente faible = gros foyer (bassin, rachis)



Tube de Coolidge – Anode

Les rayons X, ERFPS CHU Hôpitaux de Rouen



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

https://www.orau.org/ptp/collection/xraytubescoolidge/coolidgeinformation.htm



Tube de Coolidge – Foyer optique, résumé




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



Tube de Coolidge

• Création de photons X possédant diverses énergies.

• Dû à 2 mécanismes :

• Rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung

• Rayonnement de fluorescence



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



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



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’e- manquant




• 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 http://www.uvp5.univ-

paris5.fr/DESRADIOLOGIE/MEDIAS/02_2011_O_Ernst/Pub_02_2011_O_Ernst/index.htm




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: 69-11 = 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)



Spectre de rayonnement




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-

• Effet de l’intensité du filament :

• Amplitude du spectre

• = quantité de rayons

E=1.6*10-19 [Coulomb] : charge de l’e- U : Tension [V]



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



• 2 principaux types :

• Effet photoélectrique : prédominant aux faibles énergies (<50keV)

• Effet Compton : prédominant aux fortes énergies (>110keV)



Effet photoélectrique

• Un photon X donne la totalité de son énergie à un électron, qui est expulsé

• Wc : énergie cinétique de l’e- expulsé

• 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



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)



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



Effet Compton

Source : Vuillez, J.P., Chap2 : Interactions des rayonnements 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



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



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


Acquisition des rayons X

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



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.




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




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

0.08

0.17

0.125

0.03

0.05-0.10

0.4

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


Radiographie

Conventionnelle

Avec amplificateur de luminance

Numérique


Radiographie

Tube de Coolidge : produit un faisceau de RX

Faisceau sortant (transmis) de RX hétérogène: image radiante

Appareil de détection reçoit le faisceau transmis

Faisceau incident et homogène de RX

Patient atténuant le faisceau de RX


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


Radiographie

Amplificateur de luminance

• Radiographie conventionnelle : problème d’intensité lumineuse

• Amplificateur de luminance : 2 écrans convertisseurs et un tube à vide.

• 1er écran : conversion des rX en photons lumineux et libération d’e- de faible luminance

• Tube à vide : accélération des e- et focalisation > intensité signal

• 2ème écran : recueil des e- accélérés et conversion en image de forte intensité


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

56 GTS503 - C3 : Imagerie

Radiographie

Numérique : avantages par rapport au

conventionnel

• Visualisation directe, stockage, transmission

• Dose patient inférieure car moins de reprise de l’examen

• Post-traitement facilité


Traitement digital vs analogue



Tomodensitométrie

CT-Scan


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


Tomodensitométrie

Principes



Tomodensitométrie

Principes

Techniques de l’ingénieur, Tomographie à rayons X


Tomodensitométrie

Principes



Tomodensitométrie

CT-Scan hélicoïdal

http://pgmcqs.com/2010/07/25/radiology/

• 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


Ultrasons

L’échographie


Ultrasons

Définition

• Son de fréquence > 20 000 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


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


Ultrasons

Réflexion et réfraction

PACES 2010-2011, Sons et ultrasons


http://www.ostralo.net/3_animations/swf/echographie.swf

Ultrasons

Échographie : Animation






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


Ultrasons

Échographie Doppler : Animation


http://www.ostralo.net/3_animations/swf/doppler.swf





GTS503 – Cours 3

À la semaine prochaine !

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