HistoriqueProduction des Rx

Interaction des particules avec la matièreSpectre continu - Effet de freinageSpectre de raies

Le tube à rayons XCathodeAnodeFoyerAmpouleGaineSpectre d’Émission - Filtration

Caractéristiques des Rayons XInteraction des Rayons X avec la matière

Effet photoélectriqueEffet ComptonTransfert linéique d’énergieCouche de demi atténuation

Image RadianteFacteurs géométriquesRayonnement diffuséGrille anti diffusante

Les rayons X

Section DTS en Imagerie Médicale et Radiologie Thérapeutique

HistoriqueWilhem Conrad Roentgen 1895

Tube de CrookesNoircit une plaque photosensibleProvoque l’illumination d’une plaque de platino cyanure de bariumLes Rayons « X » viennent de naître1ère Radio sur la main de son épouse : Bertha Roentgen

Production des Rayons X RX issus de l’interaction d’électrons accélérés avec une cible en Tungstène

Production des Rayons XElectrons obtenus par Effet thermo-ionique ou Effet Edison. On chauffe un filament (W = RI²t ) et l’on obtient en fonction de l’intensité un « nuage électronique » plus ou moins dense.

Effet Edison La ө dépend de l’intensité

Cathode à deux filaments

Remarque

Pour éviter la dispersion des e- due à leur répulsion électrique,

e -e -

e -e -

e -

Remarque

Pour éviter la dispersion des e- due à leur répulsion électrique, le filament est entouré d’un cylindre chargé négativement C’est une pièce de concentration.

e -e -

e -e -

e -

Production des Rayons XLes électrons se trouvant dans une "atmosphère" de vide sont accélérés par l’application d’une hautetension entre la cathode (filament) et l’anodeCirculation du – vers le + Ce pinceau d’électrons heurte l’anode en produisant principalement de la chaleur (99%) et des rayons X (1%) selon deux phénomènes associés

L’émission d’un spectre continuL’émission d’un spectre de raies

Spectre continuLors du bombardement de l’anode*, un e- pénètre dans l’atome . Il est dévié par la masse du noyau de l’atome cible . Il freine en se débarrassant de la majeure partie de son énergie cinétique sous forme de Rayons XOn parle de rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung

*Anode en Tungstène Numéro atomique élevé (74) offrant une forte probabilité d’interaction avec les électrons Incidents et le cortège électronique cible et résistant à la chaleur dégagée lors du rayonnement

Effet de freinage

Effet de freinage : Cas extrême N°1

Effet de freinage : Cas extrême N°2

Spectre continuIl est indépendant de l’élément composant l’anodeIl dépend de la tension d’accélération des électrons donc de l’énergie des électrons incidents

Spectre de raies*Collision : 2 possibilités : Excitation – IonisationIl arrive qu’un électron du faisceau entre en collision avec un électron de l’orbite fondamentale K de l’atome de TungstèneLes deux électrons s’éjectent créant un espace disponible pour qu’un électron d’une orbite supérieure puisse y « tomber », ce qui a pour effet de libérer de l’énergie sous la forme d’un rayonnement XTout électron tombant au niveau K et provenant de n’importe quelle couche supérieure (L,M,N…) libère une énergie comprise entre 57,4 keV et 69,5 keVCe sont les seules transitions importantes produisant des Rayons X utiles en RadiodiagnosticL’énergie libérée par les autres transitions insuffisante

*1 Raie = réorganisation du cortège

Spectre de raiesIl est caractéristique de l’élément composant l’anode.

En résuméLe flux de photons est composé d’un fond de faible énergie et de raies caractéristique d’énergie plus élevée.

Le tube à Rayons X

Le tube à Rayons X Elément essentiel de la chaîne radiogèneUtilisé en Radiologie conventionnelle, en Radiologie vasculaire, en tomodensitométrieLes performances demandées sont très différentesDoit répondre à deux qualités essentielles mais contradictoires

Grande puissance (temps de pose courts)Grande finesse de foyer (résolution spaciale)

Le tube à Rayons XCathode (cf production des rayons X)Anode

Le tube à Rayons XL’anode

Sa conception tient compte des deux caractéristiques précédemment citées :Grande puissance et surface de production de petite taille

Deux types d’anode : fixe ou tournantePlaque de tungstène biseautée sertie dans un cylindre de cuivre et placée en face de la cathode pour être frappée par le faisceau électronique.

Le tube à Rayons XLa surface de l’anode frappée par les électrons ou foyer thermique est rectangulaire

Sa projection sur la fenêtre d’émergence du tube est carrée. C’est le foyer optique

Le tube à Rayons XL’angle formé entre la piste d’anode et le rayon directeur est appelé angle d’anode

Varie entre 10 et 20°Le foyer optique est proportionnel au sinus de l’angle

Le tube à Rayons XAnode tournante

L’anode se présente sous la forme d’un disque tronconique de forme aplatie tournant en regard de la cathodeElle est portée par un rotor monté sur roulements permettant une rotation de 3000 à 9000tr/mn

Le tube à Rayons XAnode tournante à deux foyers

Le tube à Rayons XFinesse de foyer

Plus le foyer sera petit (angle d’anode réduit) plus on augmentera la définition spacialeEx : Utilisation de foyers fins de 0,1 à 0.3 mmDans ce cas, l’anode est en molybdène

Le tube à Rayons XL’ampoule

La cathode et l’anode sont placées dans une enceinte où règne un vide poussé (pas ou peu d’interactions entre les électrons) Cette ampoule en verre contient une huile isolante (refroidissement)

Le tube à Rayons XProduction conique des X

Le tube à Rayons XSpectre d’émission

Exemple :

100 kV de d.d.p. aux bornes du tube

100 keV

Nombre de RX

Nombre important de photons

de faible énergie

Le tube à Rayons XFiltration du faisceau de photons

InhérenteParoi de verre et gaine d’huile+ filtre sortie de tube

(réglementation : 2,5 équivalent Al. au minimum)

Le tube à Rayons XSpectre d’émission après filtration du faisceau

Exemple :

100 kV de d.d.p. aux bornes du tube

100 keV

Nombre de RX

Le tube à Rayons XFiltration du faisceau de photons

InhérenteParoi de verre et gaine d’huile+ filtre sortie de tube

AdditionnelleFiltre Aluminium : 2mm Al….+/- 0,1 mmCu….

(réglementation : 2,5 équivalent Al. au minimum)

Filtration additionnelle

Permet d’obtenir un meilleur rendement en profondeurDoit suivre les recommandations des sociétés savantes (ex SFR)Crâne enfant de 5 ans :

1mm Al +/- 0,1 à 0,2 mm Cu

Niveaux de Référence Diagnostique

Le niveau de référence proposé par la Commission Européenne est de

•1500µGy pour la dose à l’entrée (1,5mGy)•pour un enfant de 5 ans

Le tube à Rayons XImpact de la filtration sur la dose à l’entrée

Rayons X : NatureLes Rayons X sont des rayonnements électromagnétiques de très courte longueur d’onde.

Rayons X CaractéristiquesInvisibles, Inodores, Inaudibles Se déplacent à la vitesse de la lumière

3 108 ms-1

Se déplacent en ligne droiteSont caractérisés par

Une fréquence Ʋ exprimée en Hz ou s-1

Une période T = 1/ Ʋ exprimée en sUne longueur d’onde λ représentant la distance parcourue en 1 période

Transportent de l’énergie

Rayons X Caractéristiques

Loi de l’inverse carré des distances

Les rayons X Interactions avec la matière

Effet ComptonEffet photoélectrique

Les rayons X Interactions avec la matière

Effet photoélectriqueLorsque le rayon est de faible énergie, il y a absorption totale de l’énergie du photon dans la matière

L’effet photo électrique dépend De l’énergie des rayons X (faible énergie)Des numéros atomiques des atomes (Z élevés++)

Les rayons X Interactions avec la matière

Effet ComptonLorsque le rayon est de forte énergie, il y a diffusion d’une partie de l’énergie du photon par la matière

L’effet Compton dépend De l’énergie des rayons X (Forte énergie)

Les numéros atomiques des atomes influencent très peu la probabilité d’interaction par effet Compton

Rayons X Transfert Linéique d’Energie TEL

C’est l’énergie libérée par un photon ou une particule, dans la matière par unité de longueurLoi d’atténuation de Beer-Lambert

I = Ioe -µx

I : Nombre de photons après la traversée de la matièreIo: Nombre initial de photonse : Fonction exponentielleµ : Coéfficient linéique global d’atténuationx: épaisseur traversée

Rayons X Transfert Linéique d’Energie TEL

CDA = Couche de demi-atténuationC’est l’épaisseur nécessaire à arrêter la moitié des rayons X

Rayons X Transfert Linéique d’Energie TEL

Loi d’atténuation et épaisseur traversée

I

I0

xI’

I0

2x

A matière équivalente, plus l’épaisseur augmente, plus le nombre de photons résiduels diminue

Rayons X Transfert Linéique d’Energie TEL

I1

x1 = x2

μ1 = 2.μ2

I2

I0

x1 x2

A épaisseur égale, M1 est deux fois plus absorbante que M2

Loi d’atténuation et µ

Rayons X Transfert Linéique d’Energie TEL

Loi d’atténuation, épaisseur et µ

I0 I0 I0 I0

I1 I2 I1 I2

I I0

I1

I2

Contraste

I0

I1

I2

Contraste

L’image Radiante X

= Projection 2D à un instant T

D’un volume 3D dynamique

L’image Radiante X

Les images et les pièges

Quelle est la plus longue barre noire?

Quel est le plus grand cercle central?

Une image est une représentation d’une réalité.

Ce n’est pas la réalité !

L’image Radiante XFacteurs géométriquesLoi de confusion des plans

L’image Radiante XFacteurs géométriquesLoi de l’agrandissement

DFFDFF - DOF

R =

=1m

0.5

0.25

RA=2RB=1.33

DFF = 1m

L’image Radiante XFacteurs géométriquesLoi de la déformation

Lorsque la projection n'est pas orthogonale l'image est déformée

Cette distorsion de forme est d'autant plus grande que les anglesd'incidence et de projection s'éloignent de 90°

A

B

Influence de l'angle d'incidence

long. A = long. B

αA = 90°αB = 30°

long. B' << long.A'

L’image Radiante X

L’image Radiante X

Influence de l'angle de projection

L’image Radiante XFacteurs géométriquesLoi des tangentes

Signal X

Distance

Signal X

Distance

L’image Radiante XFacteurs géométriquesFlou géométrique

Proportionnel à l’agrandissement Proportionnel aux dimensions du foyer

L’image Radiante XFacteurs géométriquesFlou cinétique

t0

P1 P2

t1

P3

t2

Proportionnel à l’agrandissement

Proportionnel à la vitesse de déplacement de l'objetProportionnel au temps d'exposition

L’image Radiante XLe contraste

Il est la traduction visuelle de la modulation du faisceau au cours de la traversée du patient

RemarqueUne image peut être floue, si le contraste est suffisant entre deux objets, ils seront distingués.

L’image Radiante XLa définitionC’est la netteté ou l’absence de flou

Une image peut être parfaitement nette, mais si deux objets qui la composent ont un contraste insuffisant, ces deux objets ne seront pas distingués

A

A B

L’image Radiante XLa définitionC’est la netteté ou l’absence de flou

Une image peut être parfaitement nette, mais si deux objets qui la composent ont un contraste insuffisant, ces deux objets ne seront pas distingués

A

A B

L’image Radiante XLe bruit

C’est la variation aléatoire des valeurs de gris à partir d'un objet absorbant uniforme

A

L’image Radiante XLe rayonnement diffusé

C’est le rayonnement produit par effet Compton avecchangement de direction par rapport au Rayon Directeur

Xp

Xp

Xp

Xd

Xd

Xp

L’image Radiante XLe rayonnement diffusé

Direction du diffusé : dans les 4plans de l’espace

L’intensité du rayonnement diffusé est proportionnel àl’intensité du faisceau primaire.

I0

Amplitude

DS

L’image Radiante X

Le rayonnement diffusé

L’os diffuse légèrement moins que les tissus mous (A tension égale, l’effet photoélectrique est plus important pour l’os que pour les tissus mous).

Le rayonnement diffusé est proportionnel à la surface d'exposition

Importance de diaphragmer

Le rayonnement diffusé est proportionnel àl’épaisseur traversée

« Diminuer l’épaisseur » - Compression

L’image Radiante X

Le rayonnement diffusé : Conséquences

Le rayonnement diffusé diminue la perception des structures de faibles dimensions

Le rayonnement diffusé diminue la perception des structures de faibles différences d’absorption.