BASES PHYSIQUES DE LA RADIOLOGIE AUX RAYONS X

BASES TECHNOLOGIQUES DE LA
RADIOLOGIE AUX RAYONS X
DR ABDOULAYE TAYE
UNIVERSITE ALIOUNE DIOP DE BAMBEY
PRESENTATION AU SEMINAIRE DU JEUDI 06 MARS 2014
À l‘hopital Abass NDAO
PLAN GENERAL
• OBJECTIFS
• INTRODUCTION
• NATURE ET PRORIETES DES RAYONS X
• PRODUCTION DES RAYONS X: TUBE A RAYONS X
• FORMATION DE L’IMAGE
• CONSTITUTION D’UN SCANOGRAPHE
• PARAMETRES D’ACQUISITION ET DE RECONSTRUCTION
• QUALITE DE L’IMAGE ET IRRADIATION
• REDUCTION DE L’IRRADIATION
• HISTORIQUE
TUBE A RAYONS X
INTRODUCTION
Il s’agit dans cette partie du cours de faire la description du matériel d’imagerie
aux rayons X qui permet un grand nombre de réalisations radiodiagnostiques
correspondant à des besoins différents :
- radiologie courante osseuse ou pulmonaire
- radiologie vasculaire
- scannographie
- mammographie
- scopie pulsée ou graphie vasculaire
La connaissance de l‘équipement médical permet un contrôle de qualite, une
bonne maintenance et une maîtrise de l‘utilisation optimale du matériel.
Rappel: BASES PHYSIQUES DES RAYONS X
Nature des rayons X
Nature de rayons X
Propriétés des rayons X
• Les rayons X se déplacent dans toutes les directions en ligne droite.
• Ils ne sont pas déviés par un champ électrique ou magnétique
• Les rayons X traversent les objets. Ils sont facilement absorbés par l'air ou l'atmosphère.
• Leur longueur d'onde est de l'ordre de grandeur des distances interatomiques.
• Les rayons X peuvent arracher des électrons aux couches électronique des atomes.
• les rayons X déchargent les corps chargés électriquement.
• Les rayons X peuvent détruire une cellule vivante et conduire à des mutations
génétiques internes à la cellule.
• Ils impressionnent des émulsions (plaques, films) photographiques.
Production des RX: rayonnement de fluorescence
Les rayons X sont produits par des
transitions électroniques faisant
intervenir
les
couches
électroniques internes, proches du
noyau. L'excitation donnant la
transition peut être provoquée par
des rayons X ou bien par un
bombardement d'électrons, c'est
notamment le principe de la
spectrométrie de fluorescence X.
Production des RX: Bremsstrahlung
Un électron en mouvement est attiré au
voisinage d’un noyau par la charge
nucléaire positive. Il est dévié de sa
trajectoire car il est
soumis à une
accélération centripète intense. Il est
ralenti, donc il perd de l'énergie qu’il
rayonne sous forme d'un photon. Ce
rayonnement X émis est appelé
« Bremsstrahlung » ou un rayonnement
de freinage qui se produit à toutes les
fréquences. Son spectre est par
conséquent continu. L’observation du
spectre de freinage montre que les
photons de faible énergie sont plus
nombreux.
Production des RX: Le spectre du rayonnement X
Le rayonnement X est formé de photons
d'énergies différentes, donc de longueurs
d'onde distinctes. Le spectre est formé en
fait par la superposition de deux spectres
différents: l'un appelé spectre continu,
l'autre spectre de raies. La représentation
spectrale du rayonnement photonique
permet de connaître la contribution à
l'énergie totale de chaque valeur
énergétique de photon.
Le rayonnement de fluorescence est plus
utile que le rayonnement de freinage. Dans
le processus d’interactions électronsmatière on produit plus de chaleur que de
rayons X.
Interactions des RX: Absorption ou Attenuation des rayons X
L’absorption des rayons X dans la matière
se traduit par la diminution de l’intensité
du faisceau. Les photons disparus du
faisceau transmis sont soit déviés par
diffusion, effet ou diffusion Compton, soit
transformés par choc sur les atomes, donc
réellement absorbés par la matière par
effet photoélectrique.
L'effet thermoélectrique ou thermo-ionique
L’effet thermoélectrique ou effet EDISON consiste:
 à extraire des électrons des structures atomiques d’un filament porté à haute
température par un courant de chauffage de quelques ampères. Des électrons sont
libérés par effet Joule et il se forme un nuage électronique autour du filament.
 à les accélérer ensuite par une haute tension électrique de quelques dizaines de kilovolts
vers une cible métallique (anode) portée à un potentiel positif par rapport au filament
(cathode négative) pour produire un faisceau d’électrons ou un courant traversant
l’espace entre les deux électrodes.
 Pour une tension donnée, l'intensité de ce courant (entre cathode et anode) ne dépend
que de la température et donc du courant de chauffage du filament.
CHAINE D’IMAGERIE CONVENTIONNELLE RADIOLOGIQUE
PRODUCTION DES
RAYONS X
• TUBE RADIOGENE
• GENERATEUR
LE TUBE DE COOLIDGE: PRODUCTION DES RAYONS X
Les rayons X en radiologie sont produits par des "tubes à rayons X" ou "tube de Coolidge". Les
électrons libérés par la cathode chauffée, source de production du faisceau d’électrons, sont
accélérés par une haute tension (puissant champ électrique) pour bombarder l’anode, source de
l'émission des rayons X. Durant l'interaction entre les électrons rapides et les particules de
l’anode, une partie de l'énergie cinétique des électrons est convertie en énergie
électromagnétique et l’autre partie en chaleur.
Le faisceau d’électrons
Les éléments constitutifs du tube à rayons X
Le tube est l'élément essentiel d'une chaîne radiologique. On l’utilise en radiologie
conventionnelle, en radiologie vasculaire numérique et en tomodensitométrie. Il doit
pouvoir diminuer:
- le flou cinétique en réalisant des radiographies avec un temps de pose très court
grâce à sa grande puissance.
- le flou géométrique pour obtenir des images de grande résolution spatiale grâce à
une grande finesse de son foyer.
La cathode du tube à rayons X
La cathode du tube à rayons X
Les tubes sont ordinairement équipés de 2 foyers, donc de deux filaments de dimensions
différentes.
Les filaments se trouvent dans la pièce de concentration métallique, en forme de cuvette,
portée à un potentiel négatif afin de focaliser le faisceau d'électrons sur une surface réduite
(0,6mm x 2 mm de côté pour le petit foyer) et de ne pas le laisser se disperser sur toute la
surface du plateau anodique.
L’anode du tube à rayons X
L’anode fixe est une plaque en tungstène
(Z=74, d’où rendement émissif important),
sertie dans un cylindre de cuivre et placée
en face de la cathode. La surface de l'anode
bombardée par les électrons ou foyer
électronique ou thermique est le siège d'un
important dégagement de chaleur (1000 à
1500°C, Q=U(kV)xI(mA)xt). L'évacuation de
la chaleur s'effectue vers le radiateur qui
prolonge le cylindre de cuivre (bon
conducteur de la chaleur) et par
rayonnement infra-rouge. Le tungstène est
le principal producteur de rayons X, alors
que le rhénium est un bon conducteur de
chaleur permettant de refroidir l'anode
rapidement (anode tournante) .
L’anode du tube à rayons X
Pour diminuer la surface apparente foyer
optique, visible à partir de la fenêtre du tube,
la plaque est inclinée entre 20 et 10° par
rapport à la verticale. Le foyer optique est
directement proportionnel au sinus de l'angle
d’inclinaison ou angle ou pente d'anode.
Ainsi, la réduction de l’angle α, de 20 à 10°
permet de multiplier par deux la surface du
foyer électronique tout en gardant le même
foyer optique (sin 20°=2,7 et sin 10°=5,6). La
surface où est produite la chaleur est très
petite et il y a risque de fusion (>2500°) ou de
cratérisation de la pastille de tungstene de
l’anode.
L’anode du tube à rayons X
L'anode tournante (1935) est formée de la cible électronique (piste de tungstène sur disque
de graphite ou de molybdène), du plateau anodique et de son moteur d’entrainement
(400Vx10A = 4kW). EIle permet de changer la surface soumise au bombardement du faisceau
électronique. On peut augmenter cette surface et sa charge thermique (qui diffuse dans le
plateau anodique entre 2 passages sous le faisceau électronique) en augmentant la vitesse de
rotation de l'anode et le temps de pose.
Les vitesses de rotation usuelles qui dépendent des
fréquences du réseau (50HZ) sont de 3000 et 9000
t/mn. La rotation du plateau anodique (entraîné par
un axe lié au rotor) est assurée par un moteur
électrique dont le stator à l'extérieur du tube est placé
autour du rotor. Des roulements à billes soumis à de
fortes contraintes thermiques et mécaniques
permettent le fonctionnement. L'évacuation de
l'énergie emmagasinée par le plateau anodique se fait
très peu par conduction à cause de la construction,
pas par convection car elle est dans le vide et
beaucoup par rayonnement infrarouge.
L’anode du tube à rayons X
Pour favoriser ce rayonnement les anodes sont
souvent accolées à du carbone qui, étant noir, a la
propriété de faciliter les échanges thermiques. La
capacité calorifique de l'anode dépend de sa
masse. Les valeurs courantes de la masse et du
diamètre des anodes sont de l'ordre de 1kg et de
100mm. Une partie de l'anode qui subit un
échauffement brutal se dilate. L’anode est fabriquée
en prenant en compte les risques de rupture
thermique. Une anode portée à sa température
maximale retrouve presque son niveau thermique
initial en sept à dix minutes.
Après le cliché, l'anode peut soit s'arrêter progressivement, soit être freinée par un courant
inverse. La vieillesse des roulements va induire plus de vibrations mais aussi plus de bruit. Cela
peut induire un blocage suivie d’une fusion de l'anode à la prochaine radiographie. Les
générateurs actuels surveillent la rotation de l'anode et interdisent la radiographie sur anode
fixe ou ne tournant pas à la bonne vitesse.
L’anode du tube à rayons X
L’anode du tube à rayons X
fin du dernier cours
Pour augmenter la quantité de chaleur que l'anode peut accepter et favoriser son évacuation,
on peut envisager plusieurs solutions techniques:
- augmentation du diamètre de l'anode (70, 120, 200mm...) et donc de la surface de la piste
focale ou foyer thermique.
- augmentation de la masse de l'anode (l'élévation thermique est moindre pour une même
énergie).
- modification du métal de la piste : adjonction de rhénium au tungstène pour lui procurer une
meilleure souplesse cristalline et éviter qu'il ne se fendille en refroidissant.
- modification de la nature du disque anodique : les corps d'anode en tungstène sont remplacés
par des disques en molybdène ou en graphite qui acceptent à masse égale beaucoup plus
d'énergie pour atteindre la même température.
- augmentation de la vitesse de rotation (9000 tours/mn) : comme la conduction calorifique
entre la piste et le corps d'anode est fonction du gradient de température (la différence de
température entre piste et corps reste élevée avec des bombardements répétés et rapprochés
). En triplant la vitesse de rotation, on augmente la puissance produite par le tube de 70%.
- suppression des roulements à billes qui sont remplacés par un fin film de métal liquide
autorisant l'évacuation de chaleur par conduction.
Les foyers radiologiques
20/03/2014
Le foyer est la zone émissive du rayonnement X. Il
revêt trois aspects différents:
 Foyer électronique ou thermique: zone de
collision du faisceau d'électrons avec la cible de
tungstène. zone échauffée sur laquelle le faisceau
électronique se répartit sur l'anode tournante.
 Foyer optique : surface apparente d'émission du
rayonnement vu du récepteur. La surface
émissive (foyer optique) vu du récepteur est plus
petite que la surface frappée par les électrons
(foyer électronique).
 la puissance d'émission est liée à la surface de
collision.
 l'intensité maximale du faisceau d'électrons est constante pour une surface définie du
foyer.
Les foyers radiologiques
 pour une surface identique, le foyer optique
est plus petit lorsque la pente est importante.
 L' anode permet une puissance plus élevée
lorsque la pente d'anode est moindre.
 l'anode tournante multiplie la puissance
émissive
 Si le temps de pose est bref, le rayonnement X
pourra être plus intense que pour un temps
long, car le gradient de température entre
foyer thermique et plateau est plus favorable à
cause des introductions successives de chaleur
(explication de l’aspect des abaques de
charges).
 la puissance émise sera proportionnelle au
diamètre du plateau ( 100, 120 ou même 150
mm).
 L'unité de surface de la piste
thermique ne peut recevoir
qu'une intensité limitée
La cible ou foyer électronique
Le foyer ou la cible électronique, source du rayonnement X, zone de collision avec le
faisceau d'électrons, portée par l'anode tournante doit répondre a plusieurs contraintes
simultanées :
- températures élevées (1000 à 1500 degrés Celsius) puisque l'énergie en jeu pour chaque
cliché (KV x mA x t) est très importante.
- forces mécaniques consécutives à la rotation d'anode (3000 à 9000 tours / minute soit
100 à 200 fois l'accélération de la pesanteur en périphérie de l'anode tournante).
- changements thermiques brutaux lors de l‘examen qui ne dure qu'une fraction de seconde
pour une puissance élevée.
D'autre part, le numéro atomique doit être élevé pour améliorer le rendement émissif de
sorte que, seul le tungstène (Wo, Z= 74) ou un alliage tungstène-Rhénium (Rh, Z=75) répond
à ces conditions.
L’ampoule du tube à rayons X
L’ampoule est l’enveloppe qui contient les
électrodes et où règne un vide poussé pour
éviter les interactions entre les électrons et l’air.
Elle est en verre, se soude bien au métal des
électrodes, baigne dans une huile isolante et est
un bon isolant électrique. Chauffé par le
rayonnement thermique très élevé du filament
et du plateau anodique, il transmet sous forme
de rayonnement infrarouge, auquel elle est
transparente, la chaleur à l'huile qui l'évacue.
L’ampoule doit résister à ces températures très
élevées. On trouve actuellement des ampoules
en céramique très résistantes.
L’ampoule est soumise à des contraintes mécaniques et thermiques par inertie, par la vitesse et
par effet gyroscopique mais aussi par d’importantes variations de température dans le tube. Les
soudures verre-métal subissent des vibrations.
La gaine du tube à rayons X
La gaine assure la protection mécanique,
l’isolation électrique, l'évacuation de chaleur et
la protection contre le rayonnement X de fuite.
Le tube est placé dans la gaine, un cylindre de
métal doublé intérieurement de plomb sauf au
niveau de la fenêtre de sortie pour permettre la
fixation du collimateur. Elle contient une huile
isolante et un dispositif compensateur de
dilatation permet de prévenir un échauffement
excessif (>100°). L'évacuation de chaleur peut
être améliorée par un ventilateur, une
circulation d'eau ou d'huile.
Si la température augmente exagérément, l'huile va se dilater et la pression à l'intérieur de la
gaine risque de monter dangereusement. Pour éviter une fuite de gaine ou une rupture de gaine
avec de l'huile très chaude, un capteur de pression raccordé à la gaine et au générateur arrête la
haute tension en cas de surpression anormale.
Diaphragmes/collimateurs localisateurs
La collimation permet de réduire le
rayonnement diffusé et protéger le patient
contre une irradiation excessive. Le faisceau de
rayonnement X doit donc être délimité à la
sortie du tube RX et le rayonnement diffusé qui
dépend de l'épaisseur traversée et du champ
couvert doit être contenu à la sortie du patient.
Le rapport rayonnement diffusé / rayonnement
transmis qui forme l'image croît avec le voltage
et le champ couvert. Le film placé au contact de
l'objet reçoit le rayonnement diffusé par le
volume irradié dans son ensemble. Le
rayonnement diffusé détériore l'image.
Un champ d'irradiation réduit (7 cm de diamètre) dispense de localisateur. Les effets
biologiques de l'irradiation sur des organes sensibles sont proportionnels au champ exposé. La
limitation du champ exposé est donc une obligation morale à l'égard du malade.
Diaphragmes/collimateurs localisateurs
La collimation peut se réaliser de deux
manières:
- en utilisant des cônes localisateurs qui
limitent le faisceau de rayons X en éliminant
le rayonnement diffusé. Les deux trous sont
alignés sur un cône dont le sommet est le
foyer. Selon le champ couvert ou le type de
matériel, il faut disposer d'un nombre élevé
de cônes localisateurs adaptés.
- elle peut aussi se faire avec des
diaphragmes localisateurs qui sont formés
de volets réglables, adaptables et
télécommandés délimitant un champ.
Ils représentent une bonne solution à condition d'être formés d'un double système; une
deuxième couche de diaphragme éliminant le rayonnement secondaire du premier. Les filtres
et localisateurs sont essentiels à des images de qualité et à une limitation de l'irradiation.
Diaphragmes/collimateurs localisateurs
Les problèmes de chaleur dans le tube RX
Les échanges de chaleur se font des zones
chaudes vers les zones froides par conduction
thermique (la chaleur reçue par la piste se
repartit dans le plateau anodique), par
convection (le fluide chaud monte au dessus du
fluide plus froid) et par rayonnement (le
plateau anodique porté à une température de
1000 à 1500°C émet un rayonnement
électromagnétique dans le tube proportionnel
à la quatrième puissance de la température
absolue). Cette transmission radiative joue
donc un rôle majeur pour l'évacuation de la
chaleur à l'intérieur de l'ampoule sous vide.
Une coupe fine de 2 mm requière 120 KV x 300 mA x 2 secondes = 48 103 Joules, soit 24 kW de
puissance concentrée sur une surface infime d'émission du rayonnement X dont le rendement
est très faible: moins de 1% de RX produits contre plus de 99% d'énergie sous forme de chaleur
dans le tube.
Les problèmes de chaleur dans le tube RX
La température d’un corps chauffé s’élève de
façon inversement proportionnelle à sa chaleur
massique. La chaleur de la piste thermique
diffuse dans le plateau anodique. L'énergie (KV
x mAs ) accumulée par le plateau anodique est
évacuée par rayonnement vers la périphérie,
ampoule, huile et gaine. La chaleur reçue par
le plateau anodique, l'ampoule et la gaine est
libérée par convection dans l'huile et dans l'air
ambiant. Il est aisé de contrôler la température
de cet ensemble. Il faut attendre que la
température de l'anode et du foyer thermique
soit suffisamment bas pou réaliser le cliché
suivant.
La capacité thermique d’un plateau anodique est la chaleur maximale qu’il peut recevoir sans
être détruit. 10 clichés successifs demandant 70KV et 200 mAs sur un patient épais peuvent
être produits avec une anode de 140.000 Joules de capacité.
Les problèmes de chaleur dans le tube RX
Le refroidissement, dont la courbe est de
type exponentiel, est plus efficace si la
température est élevée. Aucun moyen de
mesurer la température de l'anode n'existe
directement. La prudence, l'expérience et le
calcul sont la seule sécurité. Pour une
capacité thermique moyenne de 140.000J,
une durée pour revenir à l’état initial de 7
mn et une charge pour un cliché de 48.000J,
deux clichés pourraient être séparés de 2,5
min pour que l’anode reste à une
température minimale, dans les limites de
sécurité. Des appareils coronarographiques
mesurent les valeurs excessives de charge
par le rayonnement thermique de l'anode à travers l'ampoule. Certains scanographes
comprennent un calculateur électronique intégrant les charges thermiques et le
refroidissement en fonction du temps et des caractéristiques du tube.
Les problèmes de chaleur dans le tube RX
Ces courbes montrent l’effet de clichés de radiologie
osseuse où l’intervalle entre clichés permet un
refroidissement suffisant (en bas) et le résultat de
poses rapprochées d’une tomographie de rocher :
75KV, 100 mA et 6 secondes avec 60 secondes entre
poses (en haut). La compétition entre le
refroidissement et l’échauffement du plateau
anodique sont telles qu'après six clichés la capacité
thermique maximale de l'anode est atteinte. Le cliche
suivant risque donc de détériorer ou détruire le
plateau anodique. Les examens les plus dangereux
pour l'anode correspondent aux poses répétitives.
- Expositions au tomodensitomètre
C'est au médecin de décider si le temps de
refroidissement après une série est suffisant pour en
recommencer une autre.
Les problèmes de chaleur dans le tube RX
La masse métallique et l'huile assurent à la gaine une
capacité thermique de 2 millions de joules. Le retour à
la température de départ à partir de la température
maximale (voisine de 80 degrés) est obtenue en 2 à 3
heures, soit 10.000 Joules/minute, moins que le
refroidissement d' anode. On pouvait donc rencontrer
des surchauffes de gaine sans que l'anode ait été
surchargée (nombreuses séries de tomographies ou
d'angiographie séparées de 3 a 4 minutes).
L'évacuation de chaleur est aujourd'hui accélérée par
un ventilateur ou une circulation d'eau au contact de
la gaine. La dilatation de l'huile de la gaine avec la
chaleur met en jeu un système interdisant la
poursuite du fonctionnement au-delà de la capacité
acceptée. Cette sécurité thermique très fiable ne joue
donc que sur un seul élément et ne protège pas tout
le tube. 30 à 45 minutes sont nécessaires pour
reprendre l'activité lorsqu'elle interrompt un examen.
Les courbes de charge
fin dernier cours
La température de l'anode doit rester en dessous de son point de fusion. La puissance
supportable par l’anode dépend de son état thermique initial. Elle est donc importante quand
l'anode est froide et décroît si sa température monte. C'est la courbe ou abaque de charge de
l'anode graduée en mA et en Sec ou log T. La courbe de charge nominale est définie par la
norme tracée à 100kV et à 0.1 Sec. Pour respecter cette puissance annoncée par le constructeur,
les milliampères baissent si la tension augmente. Si la tension diminue par contre, on peut
augmenter les milliampères jusqu'au chauffage maximal, limite de la fusion du filament. Si on
continue à faire baisser les kV, les électrons sont moins attirés par l'anode car le champ
électrique baisse. Les milliampères vont continuer à baisser malgré le chauffage maximal. Les
courbes de charges montrent qu’au-dessus de la courbe, la température de l'anode dépasse le
point de fusion. Il faut donc travailler sous les courbes maximales qui ne sont valables que pour
une anode froide.
On peut faire soit une radiographie à milliampères constants ou
radiographie à charge constante, soit une radiographie en charge
décroissante en baissant le chauffage pour faire baisser le courant
tube. L'anode travaille au maximum de ses possibilités avec un
temps de pose le plus court possible en charge décroissante .
Le vieillissement du tube à rayons X
 Dépassement de la capacité d'anode et
destruction d'anode
Le métal du plateau anodique et de la piste
thermique peut sous l'effet d'une chaleur
excessive :
- se déformer
- se rompre et éclater, brisant le tube de verre.
- Si le moteur d'entraînement ne tourne pas,
l'échauffement en un seul point peut
"cratériser" la piste thermique.
 Vieillissement du foyer électronique
La répétition d'échauffements-refroidissements
de la piste entraîne des contraintes localisées,
un dépoli et même la création de
microcraquellures de surface.
La surface émissive du rayonnement X
rendue irrégulière ne produit qu'un
faisceau
spatialement
hétérogène:
l'intensité du faisceau X est en partie
réduite par les irrégularités de surface, ce
qui diminue le rendement émissif du tube.
La réduction du faisceau du côté de
l'anode porte le nom d'effet talon (talon
d'anode). Pour obtenir la même image
(c'est-à-dire la même quantité de
rayonnement X) il est nécessaire
d'augmenter la charge. Cette surcharge
progressive, outre une diminution de
qualité d'image aggravera la cratérisation
de l'anode et précipitera la destruction.
Le vieillissement du tube à rayons X
Vieillissement du verre et qualité du vide
Une surchauffe localisée causent des
craquellements infimes de l'ampoule qui
peuvent laisser pénétrer des molécules de gaz
qui interagissent avec le faisceau d'électrons.
Une fluorescence bleue est visible lors du
passage du courant, ce qui requière le
changement du tube qui devient conducteur. Ce
phénomène réduit considérablement la quantité
de RX émis.
La rotation d'anode
Les portées de roulement de l'axe d'anode sont
également soumises aux contraintes d'une
rotation à grande vitesse, sous vide et à forte
température. Avec le temps, l'usure rend
bruyant ce roulement, certaines positions du
tube favorisant ce bruit.
Ce phénomène annonce un grippage donc
une mort du tube. La vitesse de 3 000 t /
m à 9 000 t / m est atteinte en près de 1
seconde.
Le vieillissement du filament
Le filament soumis à un chauffage
prolongé perd une partie de son épaisseur
de tungstène, donc de sa capacité
thermique. Le filament s'amincit (ce qui à
terme peut conduire à sa rupture) car le
filament de tungstène chauffé sous vide va
naturellement se sublimer. La température
d'émission par effet thermo-ionique
diminue ainsi que le courant de tube. Le
gaz de tungstène ainsi créé va migrer dans
le tube et se condenser sur les parois ainsi
que sur la fenêtre.
Le vieillissement du tube à rayons X
Vieillissement du filament
Le gaz tungstène sur la fenêtre et dans le tube va fluorescer en absorbant les rayons X de faible
énergie, on a donc au fur et à mesure une baisse de l'intensité dans les grandes longueurs
d’onde. Lorsque le vide n'est plus suffisant, il se produit des arcs électriques (ionisation du gaz
sous l'effet de la haute tension) appelés « flashages », qui empêchent la production de rayons X.
Lorsque les flashages deviennent trop fréquents, le tube est inutilisable et doit être changé.
Le tube est par ailleurs refroidi à l'eau. L'humidité va se condenser sur les parties froides, et
notamment sur les tubulures métalliques transportant l'eau dans le tube, ce qui va accélérer la
corrosion du métal. C'est pourquoi on garde le tube allumé hors utilisation pour éviter la
condensation mais aussi pour éviter les chocs thermiques. On maintient en général au minimum
la haute tension et l'intensité (exemple 20 kV et 5 mA) ou l'intensité dans le filament (courant
de chauffe) : le tube n'est pas éteint, mais il n'émet pas de rayons X, il ne subit pas de variation
de température.
Le vieillissement du tube entraine la porosité du tube, la sublimation du filament, les chocs
thermiques et la corrosion. Selon les conditions d'utilisation, la durée de vie d'un tube va de un
à dix ans, avec une moyenne de trois à cinq ans.
Le générateur de rayons X
Le générateur constitué de l'ensemble des éléments
qui agissent sur l'alimentation électrique adapte le
courant électrique fourni par le réseau aux besoins
du tube radiogène. Il sert à:
- appliquer sur le tube une haute tension de forme
et de valeur appropriée à la qualité du
rayonnement.
- redresser le courant alternatif en un courant
continu ou variable mais toujours de même sens.
- chauffer le filament de la cathode afin d’obtenir
l’intensité en mA désirée dans le tube RX.
- Il détermine le temps d’exposition (1 ms à 10 s) ou
d’application de la HT sur le tube, assure la sécurité
du tube en vérifiant que les valeurs de la HT, de
l’intensité, du temps d’exposition sont acceptables
pour le tube.
EDF / 220 ou 380 V eff
[
transformateur
[
sortie générateur / 40 à 160 KVc
alternatif
redresseur
continu
EDF
6 A à 200 A
[
Transformateur
[
courant du tube 10 mA à 1 000 mA
- Il détermine l’alimentation du moteur
de l’anode et le choix d'une utilisation
(cinéma, avec ou sans grille, exposeur
automatique).
Le réglage de la tension du générateur de rayons X
Toute élévation du voltage V entraine
une baisse correspondante de
l'intensité car la puissance (P = VI) se
conserve.
Le réglage de l’intensité du générateur de rayons X
L’effet Edison libère un nuage d’électrons qui entourent le
filament chaud parcouru par un courant élevé. La quantité
d’électrons libérés est fonction de la température. La
haute tension appliquée entre filament et l’anode
accélère les électrons libérés vers l’anode, ce qui crée le
courant en mA qui traverse le tube. Le courant alternatif
doit donc être corrigé de sorte que cette direction du
mouvement des électrons soit constante. C’est le rôle des
redresseurs de courant qui existent en différents types.
Les réglages du courant qui traverse le tube peuvent
varier dans le temps ; il faut surveiller l’intensité affichée
par l’ampèremètre du pupitre et faire corriger les
divergences. Une progression 25, 50, 100 mA en petit
foyer ; 160, 300 et 500 mA en grand foyer peut rendre
difficile des réglages précis lorsque l’on veut augmenter,
de quelques % les mAs.
Les isowatts fournissent à chaque
instant une puissance constante
par variation automatique des kV
et des mA en
sens inverse.
L’exposeur
automatique
fait
décroître l’intensité avec le
déroulement du temps de pose.
Le réglage du temps de pose du générateur de rayons X
Le temps de passage des électrons dans le tube
est obligatoirement modulé par l'établissement
de la haute tension aux bornes du tube. La
coupure du circuit haute tension secondaire ou
primaire nécessite une technologie élaborée. Les
matériels les plus récents sont équipés d'organes
de coupure. La majorité des générateurs confient
selon les cas la détermination du temps de pose
ou d’exposition soit à une minuterie (mécanique,
électrique ou électronique), soit à un exposeur
automatique. Le Coulomb-mètre coupe le
courant dès qu'un nombre de coulombs
(kVxmAxs) est atteint, une minuterie affiche
rétrospectivement le temps réel. L’exposeur
automatique commande la coupure en fonction
du rayonnement atteignant le film.
L’exposeur automatique a permis le
développement
d’appareils
où
l’intensité décroît avec le déroulement
du temps de pose adaptant la charge
instantanée à la capacité thermique du
foyer.
Le choix du générateur de rayons X
Le prix d’achat, le type d’alimentation et d’autres facteurs sont prédominants dans le choix
d’un générateur.
Performances techniques et radiologiques particulières :
- radiovasculaire : le besoin de puissance impose un générateur triphasé (l'alternateur triphasé
convertit une énergie mécanique de rotation en trois tensions identiques décalées d'un tiers
de période)
- radiocardiologie : la fréquence élevée des expositions nécessite une coupure sur le
secondaire
- radiopédiatrie : les temps de pose très brefs (milliseconde) et une grande souplesse
impliquent un générateur haut de gamme couplé à un exposeur automatique spécifique.
Les appareils mobiles
Le choix d’un appareil mobile est guidé par sa maniabilité, son type de déplacement, son
alimentation électrique et la population à radiographier. Pour faire un cliché d'abdomen ou de
poumon sur un sujet épais avec un temps court et des écrans peu rapides, il faut tenir compte
de la puissance de la machine.
Le choix du générateur de rayons X
Puissance d’un générateur
Un générateur peut donc être défini par :
-
sa puissance
son intensité maximale
le kilovoltage maximum.
le type de redressement du courant
Cependant, un générateur donnant 160 kV maximum et 800 mA maximum peut ne donner que
500 mA sous 100 KV, soit 50 kW triphasé. Le tube qui est l’élément fragile de l’ensemble doit
avoir une puissance équivalente ou supérieure à celle du générateur.
La souplesse et le confort d’utilisation
L’automatisation et motorisation des commandes, des réglages, des utilisations multiples, des
affichages esthétiques peuvent déterminer notre choix mais se paient cher. L'évolution
technologique devrait abaisser les prix des modalités confortables.
Le choix du générateur de rayons X
Le choix entre mono et triphasé
L'opposition disparaît avec le développement de la haute fréquence qui procure avec un
générateur monophasé la même puissance, le courant constant et les coupures rapides que
donnaient autrefois les générateurs triphasés. C’est une affaire de prix et d'usage.
Association tube / générateur
Dans le choix d'un générateur on ne doit pas négliger celui du tube RX (3000 t/m ou 9000t/m,
plateau large ou ordinaire etc). Parfois le bon choix peut associer un générateur de moyenne
puissance à un tube très puissant 9 000 tours qui acceptera des clichés très répétitifs qui
échauffent le plateau anodique. Les écrans rapides ont aussi modifié les choix puisque la
puissance absolue n'est plus indispensable.
Maintenance
La maintenance des générateurs électriques est limitée, peu de pannes lui sont dues, seul le
maintien des performances avec le temps doit être surveillé et quelques réglages s'imposent
sur les appareils électromécaniques les plus simples.
conclusion
Le tube RX est l'élément fragile de l'installation radiologique. Il s'use et il est très
coûteux. Des maladresses de manipulation que l'on peut rencontrer dans des
situations très banales (vasculaire ou radiologie digestive) peuvent surtout le
détruire. Quelques minutes d'emploi maladroit peuvent coûter beaucoup
d’argent. La connaissance de ces problèmes techniques est donc nécessaire. Les
risques d’endommagement de la machine les plus marqués ne sont pas éliminés
par les "sécurités" de l'installation. La description du matériel d’imagerie
radiologique aux rayons X peut aider l’operateur de l’appareil à être plus prudent
dans la manipulation de l’appareil. Certains radiologues gardent le même tube
plusieurs années pour la même utilisation vasculaire, tomographie, table
télécommandée tandis que d'autres en consomment plusieurs, sans pour autant
obtenir de meilleurs résultats photographiques. Les tubes présentent-ils des
modalités d’usage et de confort plus intéressantes ou existe-t-il des différences
de soin et de connaissance technique entre les médecins?