Lundi 16/12/2013 Pauline PERREARD L2 BTIME Pr. C
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BTIME – L'imagerie par rayons X Lundi 16/12/2013 Pauline PERREARD L2 BTIME Pr. C. CHAGNAUD Correcteur 5 16 Pages L'imagerie par rayons X A. Introduction B. Radiologie « conventionnelle » : Composition et fonctionnement I. Généralités II. Production du faisceau III. Atténuation a. Loi de Lambert-Beer b. Interactions des rayons X avec la matière IV. Détecteurs a. Détecteurs analogiques b. Détecteurs numérisés C. Corps humain vis-à-vis des rayonnement X D. Bases physiques : Tangence faisceau/ Objet E. Avantage du radiodiagnostic F. Les limites du radiodiagnostic G. Solutions proposés A. Introduction L'imagerie médicale est l'ensemble des techniques qui permettent l'acquisition et le traitement des images internes du corps humain. En vue de : – établir un diagnostic – surveiller une pathologie connue (sous ou sans traitement) – réaliser un traitement : « radiologie interventionnelle » – Recherche scientifique (anatomie, physiologie..) (sur le corps humain ou chez l'animal). Il existe différents types d'appareillage et donc des images d'aspect différent : – radiologie classique (par RX) – échographie – reconstruction sagittale à partir d'acquisition tomodensitométrie – IRM – scintigraphie (osseuse) BTIME – L'imagerie par rayons X On peut scinder l'imagerie médicale en 2 catégories en fonction de leur énergie : → les radiations ionisantes – imagerie par rayons X – imagerie par radio-isotopes → Radiations non ionisantes – Imagerie par ultra-sons – Imagerie par ondes radio Imagerie par rayon X : existe depuis 1896 – radio « conventionnelle » – Scanner (Tomodensitométrie) : TDM Imagerie par radio isotope : – Scintigraphie – Tomographie par émission de positons : TEP Imagerie par ultra-sons : – échographie (US) – échographie - Doppler Imagerie par ondes radio : – imagerie par résonance magnétique (nucléaire) : IRM B. Radiologie « conventionnelle » : Composition et fonctionnement I. Généralités Elle permet d'obtenir une image bidimensionnelle à partir d'un objet tridimensionnel. Technique de transmission /atténuation : Une partie du rayonnement va être atténuée/absorbée, une partie va traverser → On obtient une modulation du faisceau et donc une image. BTIME – L'imagerie par rayons X Tube radiogène : C'est l'objet qui va produire le faisceau de RX. Il y a un faisceau incident qui est produit par le tube radiogène et un faisceau sortant (atténué) qui se dirige sur le détecteur. II. Production du faisceau : Le tube radio X fonctionne en bombardant une cible généralement en tungstène qui est l'anode . Les électrons entrent en contact avec le tungstène pour produire un faisceau de rayons X. La production des rayons se fait par deux procédés différents superposés, qui vont former deux spectres de forme différente: • Un rayonnement de freinage : les électrons vont être déviés par les noyaux de charges positive des atomes de tungstène, cette déviation va entraîner une émission de photons de freinage dont l'énergie varie de 0 jusqu'à une énergie maximale (totalité de l'énergie cinétique de l'électron émis par la cathode). C'est une interaction électron-noyau. → On obtient un spectre continu avec beaucoup de photons de faible énergie et peu à l’énergie maximale. Ce spectre ne dépend pas de la nature du métal utilisé. En pratique on n'observe pas les photons de plus faible énergie car ils sont absorbés par le tube. BTIME – L'imagerie par rayons X • La fluorescence : interaction électron-électron. L'électron incident percute un électron d'une couche électronique profonde de l'atome de tungstène, cet électron est éjecté, puis il y a un ré-arrangement électronique en cascade et une ré-émission à chaque saut de niveau d'énergie, c'est ce qui fait qu'on obtient un spectre de raies. Ce spectre vient se superposer au spectre du rayonnement de freinage. Spectre de raie dépend de la nature du métal utilisé (tungstène ++ mais on utilise du molybdène en mammographie). Maintenant les tubes radiogènes récents ont une anode tournante pour la refroidir (ce n'est jamais la même partie de l'anode qui reçoit les rayonnements, sinon elle fondrait). Il y a une émission horizontale de RX préférentielle et majoritaire même si ils sont émis dans tout les sens. Ces tubes sont cachés dans des enveloppes de plomb avec des gaines de refroidissement. Tube radiogène : c'est le premier intervenant Un système de diaphragme et de lames de plomb viennent moduler la géométrie du faisceau incident. Il produit ainsi un faisceau homogène, c'est-à-dire que son intensité est identique sur un plan dans toutes les directions. Il n'y a pas de relief dans le faisceau, il y a la même quantité de photons à tout les endroits du faisceau. BTIME – L'imagerie par rayons X III.Atténuation Objet : L'interaction des rayons X avec l'objet → Modulation. Le faisceau rencontre un milieu hétérogène à la fois dans son épaisseur et dans sa structure, ce faisceau va donc subir un phénomène d'atténuation. a. Loi de Lambert-Beer I= I° e-μX μ : coefficient linéaire d'atténuation (CLA) en m-1 X : épaisseur de l'objet en m S'agissant d'un milieu homogène, s'il y a une atténuation on verra apparaître un relief d'intensité. La modulation d'atténuation peut se faire par la variation de l'épaisseur mais également en fonction de la variation du CLA. Chaque niveau d'intensité est dépendant de l'épaisseur relative et du CLA relatif de chaque partie de l'objet. → Faisceau sortant = image radiante b. Interactions des rayons X avec la matière : Aux énergies du radio-diagnostic (Emax = 140Kev et Emoy = 90-100 Kev) : 2 effets – effet photo-électrique – effet Compton BTIME – L'imagerie par rayons X Il existe aussi : – effet création de paires : photons interagissent avec la matière et production d'un électron et un positon. (à partir de 1 MeV) – effet Raleigh- Thompson. • Effet photo-électrique Un photon incident rencontre un électron d'une couche profonde, son énergie est totalement transmise et ainsi l'électron est éjecté. Il y a une énergie idéale pour que ce phénomène survienne : Il y a un pic énergétique pour que cet effet marche. L'effet PE ne produit pas de rayonnement diffusé car le photon est totalement absorbé. • Effet Compton : Il y a interaction d'un photon avec un électron d'une couche superficielle. L'électron est alors éjecté et il y a également un photon X diffusé avec une énergie inférieure à celle du photon incident. La direction du photon diffusé est aléatoire, il peut même être rétro-diffusé (repartir en arrière). BTIME – L'imagerie par rayons X Ce type de rayonnement a un inconvénient en imagerie médicale : l'irradiation du personnel soignant. Sans ce type de rayonnement il n'y aurait pas besoin de se protéger. S'il n'y avait pas le patient interposé entre le faisceau et le détecteur il n'y aurait pas rayonnement diffusible à direction aléatoire donc pas d'irradiation. Le patient est donc une source de ré-émission de rayon X. Il n'y a pas besoin de se protéger du faisceau primaire ni de l'effet photo électrique. Rem : ces deux effets n'interviennent pas aux même énergies et dépendant du numéro atomique et de l'énergie du faisceau incident. Effet photo-électrique Effet Compton τ = Ci . ρ . Z3/ E3 Prédomine aux faibles énergies <50 keV Rôle important : - du numéro atomique - de l'énergie du faisceaux. Pas de rayonnement diffusé Σ = C . ρ . 1/E1/3 Prédomine aux hautes énergies > 120 keV Faibles variations en fonction de l'énergie Source de rayonnement diffusé. Remarque : Densité physique et densité radiologique – – Densité dans le langage courant signifie masse volumique. En radiologie on parle de densité en référence au coefficient linéaire d'atténuation. Cependant, le CLA et la masse volumique varient dans le même sens mais pas de manière linéaire, en effet le CLA dépend de l'énergie et du numéro atomique. Le faisceau émergeant qui sort du patient, n'est plus homogène et contient l'information que nous voulons connaître. Pour enregistrer cette image radiante on utilise un détecteur. IV. Détecteurs a. Détecteurs analogiques • Ecrans fluorescents : Ils ont permis la découverte des rayons X par Rangen. L'écran est mis sur le patient. Le médecin regarde l'image directement, il doit être dans le noir car la fluorescence émise est extrêmement faible. BTIME – L'imagerie par rayons X • Papier photographique : Les rayons X impressionnent le papier photo. • Film radiographique : aujourd'hui il est interdit de l'utiliser seul, il doit être utilisé sous forme de couple écran/film Le film ressemble à une pellicule photo C'est un support celluloïd recouvert sur ses deux faces (afin d'augmenter la sensibilité) par une émulsion contenant des sels d'argent. Ce film est glissé dans une cassette radiologique dans laquelle il y a des écrans fluorescents renforçateurs qui vont impressionner les deux faces lorsqu'ils seront soumis au faisceau de RX. La cassette a également un double rôle de protection du film des rayons lumineux. Par ce procédé on augmente le rendement par 100 par rapport au film seul. → Cassette radiographique coupée dans le sens de l'épaisseur. Il y a un rétro éclairage de la face postérieur du film. • Tube amplificateur de brillance : Augmentation de la luminosité de l'image fluoroscopique. Avant les radiologues étaient obligés de travailler dans le noir complet car l'image était trop peu lumineuse, et ils étaient exposés directement aux radiations. BTIME – L'imagerie par rayons X C'est une sorte de tambour a disposer au dessus ou au dessous du patient. Il est composé d'un : – écran primaire qui reçoit l'image radiante. C'est une photo-cathode responsable de la transformation des photons X en électrons. Les électrons sont ensuite accélérés par un champ électrique entre l'écran primaire et l'écran secondaire de l'amplificateur de brillance. Il y a des lentilles électroniques qui vont focaliser le faisceau sur l'écran secondaire. – écran secondaire : C'est un écran fluorescent qui sous l'effet du faisceau d'électrons va faire apparaître une image beaucoup plus lumineuse que l'écran primaire → par ce procédé on fait apparaître une image avec une intensité 10000 fois supérieure. – Derriere l'écran secondaire on a un sélecteur. – On enregistre ensuite l'image ➢ photographie : ampli-photographie (10cm x 10cm) ➢ Camera de cinéma : radio-cinéma (36mm), avec des cadences de 25 à 50 i/s par secondes pour les coronarographies car le cœur étant en mouvement, il faut une cadence d'image très élevée. On peut arrêter de respirer quelques secondes pour une radio, mais on ne peut pas arrêter le mouvement du cœur ou du tube digestif. ➢ Tube analyseur d'image (Caméra de télévision) : On peut ainsi réaliser une scopie télévisée et retransmettre l'image de l'écran secondaire sur un écran de télévision avec un signal vidéo. b. Détecteurs numérisés Très utilisé actuellement Conversion du signal vidéo de l' amplificateur de brillance par un convertisseur numérique. TV analogique → TV numérique. Ce traitement informatique est beaucoup plus rapide que le traitement analogique. Les différents détecteurs numériques ou numérisés sont : – ERLM - écrans radio-luminescents à mémoire (écrans au phosphore) : un faisceau laser déclenche la phosphorescence qui va être enregistrée et numérisée au niveau de chaque pixel émis – Tambour au sélénium (pas très utilisés ) – Capteur plan numérique (très efficace) : il fonctionne directement, il n'a pas besoin d'être lu, il transmet directement l'information à l'ordinateur par wifi (si portable) ou par câble. – Chambre à fils de Charpak : ➢ ressemble à une chambre de douche, permet de faire de la radiographie grand format (totalité du rachis ou des membres inférieurs par exemple alors qu'avant était utilisé des cassettes grands format de 30x120 ce qui était extrêmement irradiant). ➢ Cela a permis de réaliser un considérable en terme de qualité d'image et d'irradiation. BTIME – L'imagerie par rayons X • Ecrans radio-luminescents à mémoire. Ils ressemblent aux cassettes contenant des films sauf qu'ils contiennent des écrans à mémoire. Ils sont phosphorescents. Ils sont frappés par le rayonnement X, emmagasinent l'énergie au lieu de la ré-émettre directement. Au lieu d'être fluorescent et d'être luminescent tout de suite cela ce fait de manière retardée (ex : étoiles au plafond dans chambre d'enfant, énergie ré-émise sur une certaine durée). L'énergie est emmagasinée, pour accélérer le procédé on balaye l'écran avec un laser de longueur d'onde très précise, ce qui déclenche la phosphorescence. Une fois que l'écran est lu par le rayon laser, l'écran est de nouveau opérationnelle. • Capteurs plan matriciels : Utilisés directement, pas besoin d'être lus à l'intérieur de numériseur. Ils transmettent l'image automatiquement à l'ordinateur (par câble ou par wi-fi). Il existe des capteurs mobiles pour travailler au lit du patient, il en existe des fixes en salle de radiologie. On a plus besoin de manipuler les cassettes pour les mettre à numériser. • Chambre à fils : système EOS. Radiographie grand format. On peut analyser la totalité des membres inférieurs ou la totalité du rachis. Ce système fonctionne par balayage, il y a un faisceau plat qui se déplace en hauteur et qui balaye le patient avec la chambre à fils derrière qui se déplace de façon concomitante et va enregistrer une image du patient. On peut radiographier le patient de la tête aux pieds. Les clichés sont de meilleurs qualité qu'avec un film conventionnel avec une dose d'exposition 7 à 10 fois moindre. C. Corps humain vis-à-vis des rayonnement X • Composition naturelle du corps humain : - Air-gaz (tube digestif, voies aériennes) - Graisse (tissu adipeux, moelle osseuse) - Eau (tissu non adipeux et non minéralisé) - Os minéralisé (Calcium : absorbe le plus car il a un n° atomique plus élevé). - Muscle, foie, rate, sang, nerfs se comportent à peu prés de la même manière vis à vis du rayonnement X (sensibilité de l'exposition en imagerie conventionnelle) BTIME – L'imagerie par rayons X • Composants artificiels : Corps étrangers métalliques (projectiles, implants) Produits de contrastes radiologiques. Sur le film ou l'écran : 4 + 1 tonalité radiologique (relatives) – tonalité gazeuse ou aérique De la tonalité la moins radio– tonalité graisseuse opaque (noire, absorbe peu) à – tonalité hydrique la tonalité la plus radio– tonalité calcique (blanc ++) opaque (banche, absorbe ++) + tonalité métallique → artificielle. sur une radiographie. Ces tonalités sont relatives les unes par rapport aux autres et ne sont pas homogènes. On parle de relativité car en plus de dépendre de la radio-opacité du tissu, elles dépendent aussi de l'épaisseur. On peut artificiellement faire varier les contraste et la luminosité de l'image : Variation de la luminosité : en changeant la quantité de photons. – Plus de photons → sur exposé : image plus noire. – Moins de photon → cliché sous exposé : plus blanc. Pour faire varier le contraste : modification de la nature du rayonnement – Photons de plus basse énergie : augmentation du contraste. – Photons de haute énergie : on écrase le contraste → image moins contrasté, mais les variations ne changent pas de sens (tonalités hydriques, gazeuses...) /!\ Notre cerveau relativise le niveau de gris d'une zone en fonction des niveaux de gris qui l'entourent ! (relativité et subjectivité ++) D. Bases physiques : Tangence faisceau/ Objet Il y a une absorption différentielle d'un faisceau de rayons X par le corps humain. L'intensité est fonction de la somme de tout ce qui est rencontré par le faisceau, l'ordre dans lequel les photons traversent les différents tissus n'a aucune influence. BTIME – L'imagerie par rayons X Cylindre contenant eau et huile non mélangées, l'huile flotte sur l'eau sur l'eau car sa masse volumique est moins importante. → Cliché radiographique avec incidence verticale : L'image sera parfaitement homogène car chaque photon rencontrera la même épaisseur d'huile et la même épaisseur d'eau. La tonalité/la projection sera la tonalité de l'épaisseur graisseuse + épaisseur hydrique . → Tube incliné à 45° sur l'horizontale : On obtiendra une ellipse dégradée continue. (l'huile atténue plus que l'eau, tonalité plus blanche). → Cliché horizontal On obtient une image rectangulaire avec une plage de tonalité homogène de deux couleurs différentes ; il y a une limite nette entre les deux plages appelée 'bord' en radiologie. Il existe en réalité un dégradé mais peu apparent. Pour avoir un bord il faut un objet avec deux sous objets de CLA différents et que le faisceau soit tangent à la surface de ces deux structures. Cliché vertical → cercle de tonalité égale à la somme des tonalités de l'huile et de l'eau Cliché à 45° : → ellipse dégradée, tonalité graisseuse au centre. Cliché horizontal → Apparition d'un bord. On plonge un papier d'alu dans de l'huile (aluminium plus atténuant que l'huile) • faisceaux vertical : On obtient un cercle • inclinaison à 45° : ellipse dégradée • Tangent à la lamelle d'Al : → On obtient une ligne : tangence à une structure lamellaire de CLA très différent du milieu dans lequel elle est plongée. Lorsque l'objet lamellaire est un peu plus épais, on l'appelle 'bande' Plage : portion de l'image qui peut être homogène ou hétérogène. BTIME – L'imagerie par rayons X Attention à ne pas confondre !! Dans les clichés radiographiques on ne parle pas de tonalité mais de clarté et d'opacité. – Une opacité sur un film radio apparaît blanche. Le faisceaux a été en grande partie absorbé, il est opaque aux rayons X. – Une radioclarté apparaît noire sur l'image radiologique. et en scanner on parle d'hypodensité ou d'hyperdensité. – dense = blanc – claire = noir E. Avantage du radiodiagnostic Les images sont informatrices si il existe des contrastes naturels entre les éléments anatomiques. Avantageux pour le thorax : – Gaz : air dans voies aériennes et alvéoles – Eau : tissus de soutient, vaisseaux, cœur, diaphragme... On a également de l'os qui peut gêner, sauf si c'est ce qu'on souhaite regarder. Avantageux également pour le squelette : – Calcium : tissu osseux minéralisé – Eau : muscles, cartilages, épanchements – Graisse : comblement entre les muscles. Il y a des contrastes entre les moelles osseuse jaune et rouge : 40% de graisse dans la moelle rouge et 80% dans la moelle jaune. Rem : on ne fait pratiquement plus d'examens sans préparation (produit de contraste par exemple) autre que l'appareil locomoteur. BTIME – L'imagerie par rayons X Radiographie et radioscopie standard : La sémiologie basée sur des Signes directs : ➢ détection d'opacités ou de clarté anormales (parasites kystés, métastase calcifiés..). Signes indirects : ➢ Déplacement des calcifications anormales. Ex : L'épiphyse est pratiquement constamment calcifiée à partir d'un certain age. Si on détecte l'opacité de l'épiphyse décalée → on peut suspecter un hématome, une masse ➢ déformation de structure osseuse : tumeur de la selle turcique : déplacement du plancher de la selle turcique. F. Les limites du radiodiagnostic • • • • Excellente résolution spatiale Mais superpositions multiples Mais médiocre résolution en « densité » ➢ les parenchymes pleins ➢ les canaux (vasculaires, biliaires, urinaires..) ➢ leur processus pathologiques Se comportent comme de l'eau vis à vis des rayons X G. Solutions proposées – – – Superpositions → Tomographie : technique d'effacement qui sert à ne rendre nette qu'une parte de l'objet, qu'un plan. Résolution en densité → produits de contrastes pour augmenter artificiellement le contraste radiologique. Les deux → tomodensitométrie. Examens avec contrastes : Introduction dans l'organisme d'agents de contrastes destinés à rendre visibles des structures anatomiques qui ne le sont pas naturellement. • – – – Contraintes : consistance tolérance modes d'introduction Contrastes positifs : – Sulfate de Baryum (Ba56) = barite : Pour les opacifications digestives surtout. – Iode (I53) Contrastes négatifs : Gaz – Air (injection dans articulation par exemple) – CO, CO2 BTIME – L'imagerie par rayons X TOGD : barite + sels effervescents pour gonfler l'estomac et le grêle. Tous les moyens ont été utilisés dans le passé : – Ingestion : On peut faire du double contraste → air (sels effervescents) et produit baryté, pour une image de la paroi de l'estomac par exemple. Pour voir le grêle en entier il faut environ 2 à 3L de baryte – Inhalation du produit de contraste pour bronchographie : n'est plus utilisé – Cathétérismes d'orifice : Galactophore, voies lacrymales, canaux salivaires, rectum (lavement baryté en double contraste) , utérus... – Ponction percutanée +/- cathétérisme d'un vaisseaux (veine, artère, lymphatique), d'une autre structure canalaire (voies biliaires, urinaires), d'une cavité (articulation → arthrographie, kyste). Actuellement on fait cathétérisme rétrograde : on pique une artère fémorale et on fait de la navigation à l'intérieur du système artériel pour opacifier les artères. Exemples de méthodes utilisées dans le passé : Méthode physiologique : on met une voie veineuse périphérique, avec produit de contraste à élimination urinaire, pour étudier la fonction rénale. L'urine devient opaque et on voit sa progression en radio. Méthode rétrograde : caractérisation du système urinaire à contre courant (on remonte le long du trajet) Pnction directe : On plante l'aiguille à travers la peau dans le bassinet ou dans un calice. Actuellement ce n'est plus une méthode diagnostic mais thérapeutique pour drainer extérieurement les cavités du rein. Radiologie avec contraste : objectifs – étudier des déplacement anormaux des organes dans l'organisme – étude des déplacements anormaux des conduits dans un organe – étude des parois et de la lumière des organes creux – étude de la vascularisation des parenchymes et de lésions s'y développant (ex : cancer). Les installations : • appareils mobiles de radiologie : radiographie au lit, avec des cassettes qu'on met sous le dos du patient pour radio du thorax • Salle os- poumons • Table télécommandée : on peut la commandé à distance avec laquelle on peut déplacer le patient. • Orthopanthomographe : clichés/déroulés de la mandibule • Mammographie : Radiographie du sein comprimant le sein entre deux plaques • Arceau de bloc opératoire • Table de radiologie vasculaire (ex : pour faire des coronarographies) → radiologie interventionnelle BTIME – L'imagerie par rayons X
