Radiologie - ENSTA ParisTech
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3. La Radiologie ENSTA ESE21 Radiologie 1 3. Imagerie Radiologique 1. 2. 3. 4. 5. Production des rayons X Interaction photon X/matière Formation de l'image Détecteurs Techniques – Radiographie – Angiographie – Tomodensitométrie Référence:http://www.imagemed.org/cerf/cnr/edicerf/BASES/index.html ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 2 3.1. Production des Rayons X • Tube à rayons X – génération d'électrons • filament de Tungstène • Effet thermo-ionique chauffageélectrons – cible métallique (anode) • plateau tournant • recouvert de tungstène – accélération des électrons • ddp anode-filament – interaction électron/métal – refroidissement ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 3 3.1. Production des Rayons X • Interaction électron/métal – 1% de RX, 99% de chaleur – collision d'ionisation chaleur – photon de fluorescence raies – rayonnement de freinage (Bremstrahlung) • déviation de trajectoire • perte d'énergie • émission de RX ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 4 3.1. Production des Rayons X • spectre – raies – continu • Rendement faible Puissance appliquée P = U.I U tension d'accélération (kV) I courant éléctronique (mA) W puissance de l'émission RX W = 3.10-6.Z.U1.75.I R rendement R = W/P = 3.10-6.Z.U0.75 R < 1% RX & Chaleur ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 5 3.2. Interaction photon/matière • Effet Photoélectrique disparition du photon – prépondérant aux basses énergies – coefficient. d'interaction = – dépend du matériau et de l'énergie • Effet Compton déviation( flou) & énergie – coefficient. d'interaction = – dépend du matériau et de l'énergie flou de diffusé avec une grille anti-diffusante • Effet global="atténuation" – coef. d'atténuation global = + - loi d'atténuation − x CDA N ( x )=N 0 e−μ . x =N 0 2 CDA= couche de demi atténuation; μ .CDA= ln( 2 ) ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 6 3.3. Formation d’images radiologiques • Atténuation sélective du faisceau – une partie de l'énergie a été absorbée – formation d'une image radiante • Caractéristiques du faisceau sortant – fluence énergétique moyenne F m= k . Z .( I . t ).U 2 d2 kZ :ctes ( tube ) I .t :intensité . tpsdepose=mAs U: tension d: distance – Contraste de l'image radiante |F1 −F 2| c= F 1 +F 2 – Diffusé section du fx énergie épaisseur traversée ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 7 3.3. Formation d’images radiologiques • loi des projections coniques • loi de confusion des plans ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 8 3.3. Formation d’images radiologiques • Flous – Géométrique – cinétique • temps de pose – de diffusion Réduction du diffusé • focalisation • grille anti-diffusante • distance objet/détecteur ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 9 3.3. Formation d’images radiologiques • Modifications du faisceau – Eliminer les RX de basse énergie nuisibles • interposition de filtres (plaques métalliques) – Contraste • tension du tube Energie du RX • intensité & temps de pose Nombre de RX ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 10 3.4. Détection et Mesures Détecteurs d’Ionisation historiques: • Emulsion Photographique Amplificateur de Brillance – Courbe de réponse du film ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 11 3.4. Détection et Mesures (Nouveaux Détecteurs) • Écran photo-stimulable ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 13 3.4. Détection et Mesures (Nouveaux Détecteurs) • Capteurs plans :Capteur à base de sélénium amorphe (méthode indirecte) – – un écran fluorescent d’Iodure de Césium CsI avec une structure en aiguilles. couche • • – – support en verre Chaque pixel comprend une photodiode et un transistor. • L’Iodure de Césium convertit les rayons X en lumière et • le silicium amorphe transforme la lumière en signal électrique . La photodiode chargée initialement à une tension V, est déchargée par le photocourant. Lorsqu’on envoie une impulsion de commande sur la grille du FET, il devient conducteur. La capacité de la photodiode se recharge au potentiel initial V. Ce courant de recharge se retrouve intégré par l’amplificateur la valeur de sortie est donc proportionnelle à l’exposition reçue par le pixel entre deux impulsions de commande. • • • – – de silicium amorphe, recouvert par une matrice de photodiodes et de transistors FET (Field Effect Transistor) appelés aussi TFT (Thin Film Transistor). Bonne Absorption RX, pas de rémanence, mais acquistion lente champ/résolution 20cm/100m; 40cm/200m; 12 bits ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 15 3.5. Les Méthodes Radiologiques Statique Analogique Dynamique Radiologie conventionnelle radioscopie Radioscopie avec moniteur TV Digitale ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiographie numérisée Angiographie numérisée Tomodensitométrie (scanner X, et dérivés Angiographie3D Radiologie Radiologie 16 3.5. Les Méthodes Radiologiques • La Radiologie standard Classique Numérique ENSTA ESE21 Radiologie Radiologie 17/38 17 Angiographie radiologique numérisée(image 2D) L'angiographie est un examen radiologique des artères et des veines du corps humain. Objectif : voir les vaisseaux Le problème: Les vaisseaux (eau) ont la même densité radiologique que les tissus mous Donc pas de contraste vaisseau/tissu → injecter un produit de contraste dans le vaisseau 19/19 Angiographie radiologique numérisée Méthode: à jeun Pose d'un cathéter dans le vaisseau à visualiser injection d'un produit de contraste iodé dans le cathéther Acquisition d'images en séquence Le contraste reste insuffisant pour voir les petits vaisseaux Contre-Indication aux injections de PC Insuffisance rénale (le PC s'élimine par le rein) 20/20 3.5. Les Méthodes Radiologiques • Angiographie radiologique numérisée – Objectif : augmenter le contraste des vaisseaux – Le problème: • Les vaisseaux (eau) ont la même densité radiologique que les tissus mous • Donc pas de contraste vaisseau/tissu – Méthode: • injection d'un produit de contraste iodé dans le vaisseau • séquence d'images • Le contraste reste insuffisant Produit de Contraste ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 21 3.5. Les Méthodes Radiologiques •Angiographie radiologique numérisée (suite) Méthode: soustraction logarithmique des images – image des structures non vasculaires (masque) – injection d'un produit de contraste iodé, séquence d'images – soustraction logarithmique d'images masque+Produit de Contraste ln(masque+PC) ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 masque - Produit de Contraste=vaisseaux ln(masque) Radiologie Radiologie = ln (PC) 22 •Angiographie radiologique numérisée( suite) Méthode: soustraction logarithmique des images I0 d I0 PC d I masque Soustraction linéaire μ Δ≈I −I (1− . c .d ) ρ μ Δ≈I . .c . d ρ dépend de I, donc de l'épaisseur ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Produit de Contraste (PC) concentration c μ − . c .d ρ I .e μ ≈ I (1− .c . d) ρ car μ .c . d <<1 ρ masque+PC Soustraction logarithmique M= ln( I ) μ − .c . d ρ P= ln( I . e μ )=ln( I )− . c . d ρ Δ=M −P μ Δ= . c .d ρ Ne dépend pas de l'épaisseur Radiologie Radiologie 23 • Angiographie radiologique numérisée (suite) C-arm avec amplificateur de Brillance C-arm avec détecteur numérique ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 24 • Angiographie radiologique numérisée (suite) Artères iliaques Rein: temps Artèriel ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Artères coronaires Artère carotide Rein: temps parenchymateux Radiologie Radiologie Rein: temps veineux 25 3.5. Les Méthodes Radiologiques la Tomographie • Tomodensitométrie (a.k.a ScannerX, CT) scannerX (TDM) G.Hounsfield, A.McCormack Nobel Médecine 1979 Siretom (1975) ENSTA ESE21 Radiologie Radiologie 26/38 26 3.5. Les Méthodes Radiologiques la Tomographie • Tomodensitométrie • Reconstruction numérique de la coupe tomographique – à partir des projections acquises – Algorithme • "Rétro-projection des projections filtrées" • Nouvelles méthodes itératives – Calcul des coefficients d'atténuation dans chaque pixel – Normalisation des coefficients en unité "Hounsfield" – Filtres pré-définis en fonction de la région examinée ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 28 3.5. Les Méthodes Radiologiques la Tomographie • Tomodensitométrie : évolution : ScannerX volumique 4ième génération Hélicoïdal Multibarettes ENSTA ESE21 Radiologie Radiologie 29/38 29 3.5. Les Méthodes Radiologiques la Tomographie • Tomodensitométrie – méthode: recueil d'images autour du sujet, dans un plan ENSTA ESE21 Radiologie Radiologie 30/38 30 TDM hélicoïdal : le dispositif 31/31 3.5. Les Méthodes Radiologiques la Tomographie • Acquisition : Le balayage hélicoïdal il est permis par deux paramètres : – la rotation continue d'un tube à rayons X. • Elle est étroitement couplé à un système de détecteurs répartis en couronne autour du lit où repose le patient. – la progression à vitesse constante du lit. • ce balayage permet d'accéder très rapidement à l'acquisition d'informations concernant un volume, puis aux différents traitements secondaires de ces mêmes informations. ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 32 3.5. Les Méthodes Radiologiques la Tomographie ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 33 3.5. Les Méthodes Radiologiques la Tomographie • Acquisition : Le balayage hélicoïdal il est permis par deux paramètres : – la rotation continue d'un tube à rayons X. – la progression à vitesse constante du lit. ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 34 3.5. Les Méthodes Radiologiques la Tomographie • détection ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 35 3.5. Les Méthodes Radiologiques (Tomographie) • Unités Hounsfield μ−μ H= ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 eau μ eau Radiologie .1000 Radiologie 36 TDM: Unités Hounsfield et Visualisation par "fenétrage" Nombre de pixels Un écran numérique ne peut représenter que 256 valeurs de gris Choix d'une plage de 256 valeurs parmi les ~4000 valeurs Hounsfield Possibles pour représenter l'image Fond Poumons muscles vaisseaux, os 256 Niveau de gris -1000 Intensités HU Fenêtre +3000 HU Table de correspondance window: center,38/38 width TDM: Amélioration de la visualisation Possible car très grand nombre d'images, de faible épaisseur Reconstruction de coupes dans les plans anatomiques de référence (MPR Multi Planar Reformat) Original coupe axiale Reconstruction coupe sagittale Reconstruction coupe coronale MPR 39/39 Gestion des images numériques PACS picture archiving and communication system 40/40 Irradiation en radiologie limites annuelles de radiation (hors médical) travailleurs 20 mSv population. 1 mSv Santé : L'exposition aux rayons X de l'imagerie augmente (Le Figaro 26/04/2010) Travaux pour diminuer les doses Surtout en TDM pour la même Efficacité diagnostique 41/41 3.5. Les Méthodes Radiologiques (Tomographie) • Applications ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 42 TDM: Avantages de la tomographie Compense les limites de la radiographie Confusion des plans Nodules calcifiés contraste MicroNodules ? cancer 43/43 TDM: Artéfacts Artéfacts ( structure de forte densité, mouvements, métal) 44/44 3.5. Les Méthodes Radiologiques (Tomographie) Applications Neurologie normal ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 ischémie Radiologie Radiologie 45 3.5. Les Méthodes Radiologiques (Tomographie) Applications ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 46 TDM: Applications Parenchyme pulmonaire ( → fenêtre pulmonaire) normal métastases fibrose 47/47 3.5. Les Méthodes Radiologiques (Tomographie) Applications nouvelles (angio-scanner) ENSTA ENSTA ESE21 ESE21 Radiologie Radiologie 48 TDM: Applications nouvelles en cardiologie: le coro-scanner Scanner multibarettes +PC + synchronisation ECG → visualisation du myocarde et des artères coronaires diastole Reformatage systole Acquisition 3D Rendu volumique 50/50 TDM: Examen virtuel : exemple Colonoscopie virtuelle Cancer du Côlon (homme, > 50 ans) Importance du dépistage précoce des lésions précancéreuses examen (invasif) de référence = la colonoscopie optique Coloscopie virtuelle comme outil de dépistage de masse encore controversée. TDM +segmentation3Ddu côlon +navigation3D Invasif (anesthésie) Non Invasif 51/51 Les évolutions de la Tomographie Tomographie conique Evolution 3D de la tomographie en cours Acquisition d'un volume Reconstruction directe dans la géométrie conique (algorithmes complexes) Appareillages et applications dédiées Méthodes de reconstruction pour diminuer l'irradiation ( thechnique "low dose") Reconstruction directe dans la géométrie conique 52/52 Tomographie conique le "cone beam CT (CBCT)" Reconstruction conique Résolution très fine : 150 μm Applications en pathologies maxillofaciales, ORL 53/53 Dual-Energy Computed Tomography ● ● Acquisition à 2 énergies différentes (soit 2 tubes, soit 1 tube+commutation du voltage) 2 reconstructions + combinaison des résultats → meilleure distinction des structures Os/tissu mou 54/54 Tomographie conique Angiographie Numérisée 3D Combinaison Angiographie numérisée + Détecteur numérique plan + Reconstruction volumique des vaisseaux opacifiés par un produit de contraste + Traitement des images Application en "imagerie interventionnelle" Vaisseaux Tête et Cou sténose anévrysme 55/55
