IMAGERIE ANALOGIQUE PAR ATTÉNUATION

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IMAGERIE ANALOGIQUE PAR ATTÉNUATION
Radiologie conventionnelle
Parmi les ondes électromagnétiques utilisées en médecine, les rayonnements,
ou rayons X, ont un statut privilégié. C'est en 1895 que le physicien allemand
RŒNTGEN observa un rayonnement pénétrant, émis lors de l'interaction des
rayonnements cathodiques (électrons émis par décharges électriques) et d'une cible
matérielle.
Un flux d'électrons, particules non pénétrantes découvertes la même année par
PERRIN, émettait un rayonnement inconnu (rayons X) lorsqu'il était arrêté par des
atomes, en particulier par des atomes lourds.
Ce rayonnement est l’objet d’une intense recherche internationale, il
- était détectable par phénomène de fluorescence sur un écran adapté
- gardait un parcours sensiblement rectiligne en traversant la matière
- n'était pas dévié par un champ électrique, ni par un champ magnétique
- était d'autant mieux absorbé que la structure absorbante était composée
d'éléments lourds.
Ainsi naissait la première technique d'imagerie médicale, par la radiographie
de la main de Mad RŒNTGEN, photographiée sur un écran fluorescent. La différence
d'absorption des tissus mous (eau), par rapport aux tissus solides (os) permettait
d'obtenir une image de l'intérieur de l'organisme vivant en dessinant l’ombre des
structures les plus absorbantes. Chaque image nécessitait une pose de plusieurs minutes,
le tube devait chauffer au préalable plusieurs heures.
Depuis plus de 110 ans, la radiologie permet l'étude des organes internes par
l'étude de la différence d'absorption des structures anatomiques traversées par le
rayonnement X. Suite à la radioscopie, l'amélioration des techniques a amené la
radiophotographie, la radiographie puis la tomographie. L'introduction de l'informatique
médicale a conduit aux techniques de pointe que sont actuellement la radiologie
numérisée et la scanographie.
La radiologie conventionnelle consiste en l'exploration de structures
anatomiques internes par l'étude d'une image planaire (deux dimensions), résultat de
l'absorption d'un faisceau homogène de rayons X, traversant un organisme hétérogène.
faisceau
homogène
milieu
hétérogène
faisceau
hétérogène
récepteur

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Le principe de l’imagerie analogique par atténuation impose d’analyser une image
en deux dimensions (le film) qui représente une réalité en trois dimensions (l’organe
radiographié). Il existe un phénomène de superposition des éléments anatomiques et de
ce fait un examen radiologique nécessite plusieurs incidences, par exemple :
- rachis de face, de profil, de 3/4.
- thorax de face, de profil.
- crâne, quatre incidences.
I PRODUCTION ET CARACTÉRISTIQUES DU RAYONNEMENT X
I - 1) Nature des rayons X
Les rayons X sont des rayonnements de type électromagnétique ionisants
produits lors du changement de l'état énergétique d'un électron. Cet électron est
atomique, par définition lié au noyau, c’est le rayonnement de fluorescence, ou libre
après accélération, c’est le rayonnement de freinage.
Ils sont de même nature que les rayonnements g , mis à part que ces derniers
sont émis suite à une transformation de l'état énergétique du noyau atomique et non pas
de celui de l’électron.
En représentation particulaire, il s'agit de photons d'énergie d’environ 100 eV à
plusieurs GeV pour les rayons X très énergétiques produits par les grands
accélérateurs de particules utilisés en recherche.
Ce sont des rayonnements ionisants. On rappelle l'énergie d'ionisation ( couche
K) de quelques atomes importants du point de vue biologique :
O : 13,6 eV
C : 11,2 eV
H : 13,5 eV
N : 14,2 eV
Un rayonnement qui possède une énergie supérieure à cet ordre de grandeur est
capable de produire une interaction libérant un électron lié à un atome composant la
matière vivante.
De façon un peu arbitraire, on admet que les rayonnement X ou g sont des
rayonnements ionisants, alors que les rayonnements ultraviolets, visibles ou infrarouges
sont non ionisants. La frontière énergétique est d’environ 10 eV.
En effet, les rayonnements UV ont une longueur d'onde comprise entre 100 et
400 nm. La relation de Duane et Hunt (cf. p. 6) montre que la plus grande énergie
correspond à la plus faible longeur d’onde.
λ nm ( ) =1240
h ν eV
( )
soit h ν =1240
100 =12, 4 eV
,
ce qui est approximativement la valeur de l’énergie frontière pouvant être à
l'origine d'un phénomène d'ionisation.

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En pratique pour les applications médicales, il faut retenir les ordres de
grandeurs suivants :
- Rayons X mous de 100 eV à 25 keV
- Rayons X utilisés en imagerie médicalede 25 keV à 130
keV
- Rayons X durs utilisés en radiothérapiede 130 keV à 20
MeV
I - 2) Origine des rayons X
Les électrons libres, émis avec une grande énergie cinétique ou accélérés dans
le vide par une différence de potentiel, produisent des rayonnements X, lors d'une
interaction avec les noyaux atomiques de la matière qui composent la cible (cf. p. 15).
I - 2 - 1) Données expérimentales
L'expérience montre qu'il existe deux modes de production des rayons X, ce
qui est résumé par le spectre d'émission (spectre 1), c'est à dire par la quantité de
photons
dN
dE
émis en fonction de leur énergie.
La représentation peut aussi se faire en fonction de la longueur d’onde et la
décroissance est alors asymptotique (spectre 2).
dN
dE
E
0
100
50
200
150
(keV)
L
K
spectre 1
dN
dE =f E
( )
N=
0
Emax
∫f E
( )
. dE
( surface sous la courbe de 0 à
E max )
dN
L
K
0
λ(nm)λλ max
dλ
spectre 2
dN
d λ
=f λ
( )
N=
λ
0
∞
∫f
λ
( )
. d λ
( surface sous la courbe de l 0
à l’infini )

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Le spectre expérimental est la
superposition d’un spectre continu et
d’un spectre de raies.
Le spectre continu correspond au rayonnement de freinage, c’est à dire à
l’interaction entre l’électron et le champ coulombien des noyaux de la cible.
Le spectre de raies correspond au rayonnement de fluorescence, c’est à dire à
l’émission discontinue d’énergie photonique lors de la transition d’un électron de la
cible qui rejoint son état fondamental après excitation.
I -2 - 2) Fluorescence
Les mesures expérimentales des énergies de liaison des électrons aux noyaux
atomiques, étudiées par spectrométrie des rayons X sont résumées par la loi de
MOSELEY (1912) .
E = a ( Z - a ) 2 où
a est une constante dépendant des unités
Z est le numéro atomique de l’élément étudié
aest une constante dépendant de la couche
électronique, pour fixer les idées a = 3,5 pour la couche K .
ν
10
50
(Ne)
(Sn)
Z
K
L
En réalité, la mesure des fréquences
étant plus précise, les courbes
expérimentales étaient des droites
exprimant la racine de la fréquence en
fonction du numéro atomique.
En tenant compte de E = h n , il
vient :
ν
=
α
h
( Z - a )
Z est caractéristique d’un élément.
L'explication a été fournie plus tard par le modèle de BOHR (1913).
L'atome qui a subi une ionisation ou une excitation (1) n'est plus dans son état
stable. Il retrouve en quelques microsecondes par transition électronique, son niveau de
plus basse énergie, l'état fondamental (2), en émettant un rayonnement X (3) appelé
rayonnement X de fluorescence (schéma p. 14).

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L'énergie libérée lors de la transition d'un électron de la couche i vers la couche
j est retrouvée sous forme de rayonnement X et est exprimée par la formule de
BOHR.
E=E0.1
ni
2−1
nj
2
⎛
⎝
⎜ ⎞
⎠
⎟
Remarques : - si l'appareil de mesure, le spectromètre, est suffisamment précis,
la morphologie de la raie est plus complexe. Ce résultat expérimental nommé
dégénérescence des niveaux d’énergie est interprété par les sous-niveaux énergétiques
dus aux autres nombres quantiques (l, m, s...) du modèle de SOMMERFELD.
- le rayonnement de fluorescence est caractéristique de la
cible sur laquelle sont projetés les électrons accélérés.
1
2
3
K
L
M
ν
h
2
K
:
n
=
1
L
:
n
=
2
M
:
n
=
3
ν
h
1
Voici trois représentations du
phénomène de fluorescence :
- l’aspect intuitif du modèle de
BOHR
- l’aspect théorique simplifié
- l’aspect réel des mesures
expérimentales, la spectrométrie
témoigne de la réalité des transitions.
E
d
Φ
d
E
h
1
ν
h
2
ν
Ces représentations objectivent le retour des électrons excités vers un état plus
stable, soit en fin de course vers l’état fondamental dont l’énergie est la plus faible.
I - 2 - 3) Rayonnement X de freinage
Ce rayonnement à spectre continu est le plus important en pratique médicale, il
survient lors de l'interaction entre le champ coulombien des électrons incidents et le
champ des l’atomes de la cible.
Le rayonnement de freinage a un spectre continu limité par une fréquence
maximale v0 , directement liée à l'énergie cinétique des électrons incidents accélérés.