VIII Problèmes de dosimétrie

Charlène Patry & Pierre Le Douaron
07/03/2011
Physique, Bases physiques de l'imagerie radiologique (2), Pr. P. Bourguet
Nouvelle version plus conforme au cours que la précédente (…...!)
6) Superpositions
On a une « addition » des atténuations par superposition des objets, car c’est une image 2D d’un ensemble 3D.
Solutions :
- clichés de profils, modifications du positionnement
du patient (clichés de différentes incidences)
- compression (ballon…)
Ex d’une mammographie : on pratique 2 incidences sur
le sein, car lorsqu’on recherche des densités (des points
blancs, forte probabilité de cancer) on a souvent des
superpositions, ce qui rend le diagnostique difficile (on
cherche à éviter de dire à la femme « cliché douteux »,
on évite au maximum les faux positifs).
VIII Problèmes de dosimétrie
Quand on fait de la radiologie, il y a des rayons ionisants. Ils interagissent avec la matière, il y a donc un effet
biologique. On peut avoir des effets cumulés. Si on a une forte dose, il peut y avoir des conséquences
dramatiques (décès, cancer, …). Par définition, la présence de rayons ionisants est un risque biologique.
Une directive européenne (97-43 « patient ») a été mise en place :
- optimisation des rayonnements :
- réduction de la dose délivrée pour un diagnostic espéré
- respect de la quantité nécessaire pour l’interprétation.
- justification de l’utilisation des rayonnements par rapport à une technique non irradiante : respect des
guides de bonnes pratiques et des SOR (Standards Options Recommandations).
Comment réduire l’irradiation sans nuire à la qualité de l’image ?
- utilisation de filtres
- augmentation de la sensibilité du détecteur : amplificateur de luminance…
Un examen complémentaire ne doit être prescrit que suite à des questions cliniques, pour déterminer un
diagnostic ou alors décider d’un traitement à prescrire. Ce n’est pas parce que le patient a un cancer que l’on
doit prescrire des radios à tout va (il faut justifier les examens). Pour de jeunes enfants, il y a un risque de
cancer secondaire à l’âge adulte.
Valeurs d’irradiation au niveau des examens :
NB : exposition naturelle de 3-45 mSv.
1/8
IX Différents détecteurs
On peut utiliser différents détecteurs :
- film radio
- écran de brillance
- plaque « phosphore »
- détecteurs plans
NB : les deux derniers entraînent une numérisation.
A) Système film-écran
Structure : reproduction secondaire d’une image,
de plus en plus rare. C’est comme un film de
photographie : base celluloïde sur laquelle on
dépose un film argentique → ionisation de
certains atomes d’argent en Ag+ puis révélation
de ces ions.
On obtient un noircissement du film, en fonction
du nombre de photons qui l’atteignent (donc
inversement proportionnel à la densité).
Réponse : - voile de base
- pied
- proportionnalité
- épaule
- saturation.
Pour un film classique, une seule partie du
faisceau de rayons X qui a traversé le patient est
absorbé par le film. En fait, certains photons
traversent le film sans être absorbés, ce qui
diminue la sensibilité du film.
Solution : on utilise des écrans renforçateurs, qui sont des
écrans photosensibles disposés de part et d’autre du film.
Ainsi, certains photons traversent l’écran et arrivent
directement sur le film. Les autres interagissent avec
l’écran renforçateur (ils y libèrent leur énergie), qui émet
secondairement des photons de faible énergie, qui vont être
absorbés par le film. Il existe donc une augmentation du
nombre de photons arrêtés par l’ensemble film/écran.
NB : il existe également un effet multiplicateur par l’écran,
car quand il absorbe un photon, il en réémet 5-10
d’énergie 5-10 fois inférieure.
De plus, il existe un double renforcement car on a
également un écran derrière le film.
Ainsi, on augmente le nombre de photons interagissant avec la cible, donc le noircissement du film (et donc le
contraste). Ceci est intéressant dans la mesure où plus la sensibilité du film est importante, moins on a besoin
d’irradier le patient.
2/8
B) Amplificateur de luminance (ou écran de brillance)
On utilise un écran de brillance pour améliorer la luminescence : augmentation de l’intensité de lumière. Il
s’agit d’un tube cathodique en verre, sous vide, avec un
écran d’entrée (ayant une surface photosensible), des
électrodes polarisées et un écran de sortie.
Lorsque la surface photosensible réagit avec les photons
incidents, des électrons vont être libérés. Ces électrons
vont
être
accélérés
et
multipliés
par
les
électrodes disposées en quinconce : il y a un effet
d’amplification jusqu’à 103-104. Puis ces électrons vont
bombarder l’écran de sortie, créant ainsi un courant
électrique utilisable, dont l’intensité est proportionnelle au
nombre de photons qui arrivent sur l’écran d’entrée.
Au final, on n’obtient pas de film radiographique mais une image télévisée :
- réduction importante de la dose délivrée ++ (on a besoin de moins de photons pour avoir un contraste
suffisant car le nombre d’électrons est beaucoup plus important que le nombre initial de photons).
- amélioration du positionnement.
- champ réduit, limitation de la résolution spatiale.
- facilite la radiologie interventionnelle :
- exploration dynamique en créant un film à partir de la succession de plusieurs images (en temps réel).
- numérisation possible afin de former des images numériques qui pourront être enregistrées et traitées.
C) Plaque « phosphore » photo-simulée
Lorsqu’elle est irradiée par les RX, la plaque phosphore reste dans un état excité si on n’y touche pas. Pour la
désexciter, on utilise un laser avec une longueur d’onde très particulière. En se désexcitant, elle émet un
photon de luminescence (lumineux dans la gamme du visible) que l’on peut détecter.
D) Capteur RX numérique
C’est un monocristal au sein d’un semi-conducteur (à pouvoir d’arrêt
considérable). Dans les transistors, on a des semi-conducteurs qui, quand ils
sont irradiés, se mettent dans un état excité.
Quand on applique une différence de potentiel (ddp) à un de ces transistors, on
obtient un courant électrique dont l’intensité I est égale à l’énergie déposée.
Cellules → pixels (forme matricielle)
(NB : technique peu importante)
3/8
X Trois critères de qualité de l’image
Les 3 critères sont le contraste, le bruit et la résolution spatiale.
A) Contraste
1) Définition
C’est la différence de densité optique (DO) entre deux zones (plus ou moins noires ou blanches). On a à
l’origine un flux de photons, donc le contraste est la différence d’intensité des flux de photons. On a alors des
valeurs de flux à comparer.
NB : on ne différencie deux structures que si elles ont un contraste.
Il existe des seuils en dessous desquels on ne peut pas détecter la différence de DO : ils sont différents pour
l’homme et la machine (NB : le fait d’être dans le noir peut faciliter l’analyse de la radio).
avec I : nombre de photons
Le contraste dépend donc directement du nombre de photons.
L’interprétation visuelle du radiologue est liée au contraste, on essaye donc d’améliorer au mieux celui-ci.
2) Modificateurs de contraste
a) Adapter les réglages de V et de i.t
On peut adapter les réglages de :
- tension V (kV)
- intensité i.t (mA.s)
- temps de pose (ms)
b) Diminuer le µ d’un milieu
On peut diminuer la densité d’un milieu grâce à l’air qui remplace localement le tissu :
- en inspiration forcée dans les poumons
- en injectant de l’air dans le tube digestif.
c) Renforcer le µ d’un milieu
On peut augmenter la densité du milieu grâce à l’injection de produits de contraste :
- sels de baryum (tube digestif) remplissent une cavité
- composés iodés (vaisseaux) se diluent dans le sang
- repères métalliques (prothèses et clips) implantés.
d) Combiner les deux types d’agents
Par exemple, on peut utiliser des sels de baryum puis de l’air.
e) Modifier le comportement de l’organisme
Pour mieux visualiser une partie précise de l’organisme, on peut utiliser :
- des diurétiques : pour l’urographie intraveineuse (UIV)
- des médicaments cardio-vasculaires
- des aliments : pour vider la vésicule biliaire.
4/8
B) Bruit
Il est inhérent à la technique.
Si le patient est obèse, les interactions sont très importantes, donc le diffusé aussi,
d’où un bruit de fond qui s’ajoute au signal utile → distorsion de l’image.
C) Résolution spatiale
C’est la distance la plus petite pour percevoir deux points comme distincts.
→ ex : une résolution de 2 mm fait que 2 points distincts d’1 mm apparaissent fusionnés.
Elle est liée aux caractéristiques intrinsèques de l’appareil de détection. Ces derniers ont des caractéristiques
physiques ne leur permettant pas de descendre en dessous d’une certaine résolution.
Si on a un objet trop petit par rapport à la résolution, alors le signal apparaîtra en cloche :
Objet :
→ Signal :
XI 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.
5/8
Physique, TDM, Pr. P. Bourguet
07/03/2011
PHYSIQUE
Tomodensitométrie (TDM)
Du plan à la coupe…
Nous vivons dans un monde tridimensionnel, mais l’image que nous avons de ce monde se forme sur le plan
(2D) de notre rétine. La vision binoculaire nous donne l’illusion du relief et c’est notre cerveau qui recompose
les informations 3D à partir de ces images planes.
Nous ne voyons au mieux que l’enveloppe extérieure des objets qui nous entourent, projetée sur notre rétine. Si
l’objet est transparent, nous arrivons à localiser dans l’espace les structures internes en tournant autour de
l’objet. Si l’objet est opaque, nous le découpons en tranches pour observer l’intérieur.
→ Le cerveau de l’être humain ne dispose pas des outils nécessaires à l’analyse 3D directe.
Usage du théorème de J. Radon (1917)
À partir d’une formulation mathématique, on peut obtenir des informations sur le contenu d’un objet à partir
des différentes projections enregistrées en tournant autour de lui.
Cet algorithme est valable aussi bien pour les objets qui sont traversés par un rayonnement (rayons X) que pour
ceux qui émettent ces rayonnements (rayons γ).
→ Utilisé en médecine, en astronomie et dans l’industrie.
I Principe de la TDM (ou scanner)
Principe de l’acquisition tomographique :
- tube et/ou détecteur en rotation
- faisceau « plat » de 1 mm d'épaisseur
- rotation autour de l'axe du corps (en ≈ 1 s)
- angles multiples (256, 512)
- réalisation de coupes axiales transverses
- somme des μ élémentaires, indépendant de x.
Les coupes sont prises comme si le patient était vu par les pieds : inversion D-G.
Principe de base : équation d’atténuation :
μ : coefficient d’absorption linéique, témoin de la densité de l’atténuation.
Quand on traverse le patient, il y a une relation entre I0 (incident) et I (sortie), qui comprend les coefficients μ1,
μ2, μ3, … μn si on traverse n milieux différents.
II Conventions
On définit une matrice pour contenir l’objet et représenter son image. On
fixe de façon arbitraire le pas de la matrice : le pixel (nombre d’éléments
de l’image par matrice). On fixe de façon arbitraire la taille du pixel une
fois pour toute, ce qui nous donne la résolution. L’objet est grillagé par un
cadre à n lignes et n colonnes.
Pour chaque pixel, on a une densité qu’on détermine (calcul des valeurs
6/8
des pixels : la distance x est fixée, seul le coefficient d’atténuation µ est variable).
Incidence : angle sous lequel on expose/regarde le patient. → Rotation selon plusieurs incidences (θ = 0, … π).
Chaque incidence comporte n lignes de tir (faisceaux de RX, un par pixel)
→ ex : 1024 lignes de tir pour une matrice de 1024x1024.
Il y a eu plusieurs générations de scanners :
- 1ère génération : tube de RX à rayons parallèles et détecteurs perpendiculaires (plan) → les 2 tournent.
- 2ème génération : tube de RX à rayons divergents et détecteurs perpendiculaires (courbes) → les 2 tournent.
- 3ème génération : tube de RX à rayons divergents et couronne de détecteurs qui fait 360° (avant le tube et
le détecteur tournaient mais le tube est léger et le détecteur lourd… Là, ça permet d’aller plus vite).
- actuellement, avec plusieurs barrettes de détecteurs mobiles, on peut réaliser plusieurs coupes en même
temps : scanner bi-tube, avec possibilité d’énergie différente par tube.
→ ex : permet de visualiser uniquement les vaisseaux.
III Principe d’acquisition : rétroprojection filtrée
Reproduction de l’image par rétroprojection (épandage) : on additionne les réponses en conservant chaque
direction d’acquisition. Puis on améliore l’image : le filtrage diminue les artéfacts de reconstruction.
Addition (épandage) :
Filtrage :
On peut remarquer l’influence du nombre d’incidences : de 8 incidences à 256, on augmente la précision (on
se rapproche de la réalité).
Un pixel correspond à une valeur de densité μ. À chaque case de la matrice, on attribue une valeur, ie une
densité représentée en fonction des valeurs des valeurs des coefficients d’absorption.
IV Unités Hounsfield
Les unités Hounsfield représentent les valeurs des coefficients d’absorption : le scanner est une matrice dont
chaque point (pixel) est égal à un nombre de photons détectés. La gamme de variation de ces nombres
correspond au coefficient de Hounsfield.
On peut calculer 2 000 valeurs différentes de µ (donc autant de niveaux de gris ≈ 211 (= 2 048)) :
- air = - 1 000
- eau = 0
- os compact = + 1 000
(Ces trois milieux permettent de calibrer le scanner)
7/8
En fenêtre totale, le noir représente le - 1 000 et le blanc le + 1 000. Mais on pourra faire varier cette courbe de
répartition des niveaux de gris, en la centrant sur une seule zone de Hounsfield, en faisant varier la fenêtre :
- pour les poumons : fenêtre « air »
- pour le cœur : fenêtre « tissu mou »
- pour des coefficients plus élevés : fenêtre « os ».
(Cela permet de visualiser plus finement les différences entre deux milieux proches).
NB : l’utilisation de couleurs serait une fausse bonne idée.
V Scanners modernes
Hélicoïdal, multi-coupes (64 → 256), bi-tubes.
Très rapide (synchronisation respiratoire)
Résolution améliorée : voxels (3D) de 0,2 x 0,2 x 0,2 mm.
Usage systématique du produit de contraste :
- irradiation plus importante (le produit de contraste arrête plus de rayonnements).
- algorithmes de reconstruction plus complexes.
Distances entre les coupes (qui sont très fines ≈ 1 mm) :
- non jointives : il y a des limites → on ne peut utiliser qu’une seule direction (celle du plan de coupe) et on
risque de ne pas voir de petites lésions.
- jointives :
- possibilité de réaliser des réorientations d’axe selon n’importe quelle direction (sagittale, frontale…)
- condition indispensable pour faire une reconstruction 3D (en s’aidant d’algorithmes mathématiques).
Perfectionnements, évolution des scanners :
- premiers scanners : rotation alternative avec une coupe par demi-rotation (le tube tourne et avance).
- scanner hélicoïdal : rotation en continu avec avancée du lit (le tube tourne, le patient avance). Les
avantages sont qu’on effectue un plus grand nombre de coupes, jointives, plus rapides, donc l’examen total est
plus rapide (c’est pratique pour demander une apnée au patient). Mais on augmente la dose absorbée.
Utilisation de radiations ionisantes :
- effet cumulatif des doses reçues : utilisation du carnet de santé, mise en place de carte à puce individuelle.
- précautions particulières : pour les enfants et les femmes enceintes (contre-indication ±).
- responsabilité médicale : vis-à-vis d’un patient donné, de la communauté.
- dose effective : pour les examens d’imagerie, on admet que : 1 Sv (effectif) = 1 Gy (absorbé).
8/8