la radiologie

05/03/2012
LA RADIOLOGIE
F. LAURENT-DANIEL
Physicienne médicale
Centre GRAY – Maubeuge
Année universitaire 2011 - 2012
FLD – IUT MPH
« Pourquoi essayer de
faire semblant d'avoir
l'air de travailler ? C'est
de la fatigue inutile ! »
Pierre Dac
FLD – IUT MPH
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Qu’est-ce que la radiologie ?
• Spécialité médicale utilisant
• à des fins diagnostiques
• ou thérapeutiques
• des radiations ionisantes (rayons X)
–
–
–
–
« Avec de la
méthode et de la
logique on peut
arriver à tout
aussi bien qu'à
rien. »
Radiologie standard ou numérisée
Tomodensitométrie
Mammographie, angiographie,
Radiologie interventionnelle (vers le noninvasif)
• et des radiations non ionisantes (ultrasons, RF)
– Échographies (standard, doppler, …)
– IRM Imagerie par Résonance Magnétique
FLD – IUT MPH
Principe
• technique fondée sur une différence
d'absorption des rayons X par les différents
tissus du corps.
FLD – IUT MPH
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Principe
mesure de la densité de tissus traversés par
un faisceau de RX à partir du calcul du
coefficient d'atténuation
µ
µ
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Production des rayons X
Sous l’effet d’un bombardement électronique à haute énergie les
atomes d’une cible de Z atomique élevé vont être excités puis
revenir à leur état fondamental en réémettant l’excédant d’énergie
sous forme d’un rayonnement de photons X.
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Tubes à rayons X
Dans le vide d’un tube de rayons X, un filament chauffé émet des
électrons qui sont accélérés par une très grande différence de potentiel
(50 000 volts) et vont percuter une anode.
« Rien ne sert
de penser, il
faut réfléchir
avant. »
FLD – IUT MPH
L’image radiante
Lorsque le faisceau incident homogène de rayons X traverse
un milieu qui présente des variations d'épaisseur, de densité et
de composition atomique, il subit une modulation.
= IMAGE RADIANTE
* dépend - de la composition spectrale du faisceau
- de la nature du milieu traversé.
* indépendante du type de détecteur utilisé.
« Si la matière
grise était plus
rose, le monde
aurait moins
les idées
noires. »
FLD – IUT MPH
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Contraste de l’image
« Ce n'est pas parce qu'en
hiver on dit "fermez la
porte, il fait froid dehors",
qu'il fait moins froid
dehors quand la porte est
fermée.. »
Le contraste de l'image radiante est directement lié à la différence
des coefficients linéaires d'atténuation (dépend de l’énergie du
rayonnement, composition du milieu et s’exprime en cm-1).
Contraste C
C=
I1 ~I0 (1-µ1x)
I2 ~I0 (1-µ2x )
C # ½ (µ1-µ2)x
FLD – IUT MPH
Transformation de l’image
radiante en image radiologique
• Cette transformation introduit la notion de détecteur :
• Film radiologique (radiologie standard)
• Intensificateur de luminance ou ampli de brillance (radioscopie)
• Matériaux photostimulables et détecteurs numériques
(radiologie numérique)
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Le film radiologique
Le film radiologique est le détecteur de rayon X le plus répandu, il
occupe aujourd'hui encore une place très importante dans l'imagerie
par rayons X.
« Pour voir loin, il faut y
regarder de près »
FLD – IUT MPH
L’intensificateur de luminance
fluorescent
«La
télévision est
faite pour
ceux qui,
n'ayant rien à
dire, tiennent
absolument à
le faire
savoir.»
-Le faisceau incident
frappe un écran
fluorescent
- Les photons X émis
produisent à leur tour des
électrons grâce à la
photocathode
- Ces électrons sont
accélérés par une
différence de potentiel
comprise entre 20 et 30
kV.
- Les électrodes les
focalisent alors sur un
écran fluorescent de sortie
(photons visibles).
Cet accessoire permet d'une part, la visualisation en temps réel de la localisation des structures
anatomiques, et d'autre part, un abaissement significatif de l'exposition du patient.
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Matériaux photostimulables
Les écrans radioluminescents à mémoire (ERLM) stockent l'énergie
transmise par les rayons X dans une structure cristalline et la restituent
ensuite. Comme les films, ils sont utilisés dans des cassettes.
Piègeage de l’image radiante sur un support photostimulable et
lecture de ce support par laser
FLD – IUT MPH
Détecteurs numériques
Les détecteurs plans numériques
représentent la plus récente évolution. Ils
sont constitués d'une matrice
électronique, similaire à celle de l'écran
plat d'un ordinateur portable, qui
transforme l'énergie des rayons X en un
signal électrique point par point.
Ex : Silicium et
Sélénium amorphe
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Image numérique
Image numérisée = carte des coefficients linéaires d’atténuation
Traitement d’image (contraste, zoom, filtrage, transformée…)
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Appareils de radiologie
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La tomodensitométrie
(scanographie, « Computerized Tomography » CT)
Méthode de diagnostic radiologique tomographique,
permettant d'obtenir des coupes axiales (ou
transversales), reconstruites à partir de la mesure du
coefficient d'atténuation du faisceau de rayons X dans
le volume étudié.
« Les prévisions sont
difficiles, surtout
lorsqu'elles concernent
l'avenir. »
FLD – IUT MPH
La tomodensitométrie
La tomodensitométrie a connu un essor considérable,
justifié par son intérêt diagnostique et l'amélioration
continue de ses performances techniques.
Elle représente l'une des applications les plus réussies
et les plus fécondes de l'application de l'informatique
à la médecine et à l'imagerie médicale.
Tomographie : du grec tomos (section) et graphein (écrire)
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Généralités
L'image de la coupe d'un objet irradié par un faisceau fin de RX, est
reconstituée à partir d'un grand nombre de mesures du coefficient
d'atténuation, effectuées selon diverses incidences.
On recueille ainsi toutes les données, qui proviennent des volumes
élémentaires de matière, grâce aux détecteurs.
A l'aide d'un calculateur, on attribue aux volumes
élémentaires (voxels) de l'image reconstruite une
tonalité plus ou moins importante en fonction des
coefficients d'atténuation, à partir des données
projetées sur une matrice de reconstruction.
FLD – IUT MPH
« Il est idiot de
monter une côte à
bicyclette quand il
suffit de se
retourner pour la
descendre. »
Absorption des rayons X
dans la matière
Si le faisceau de RX, à la sortie du tube, est rendu monochromatique ou quasimonochromatique par une filtration appropriée, on peut calculer le coefficient
d'atténuation correspondant au volume de tissu irradié, par application de la
formule générale d'absorption des rayons X dans la matière.
I
où :
I : intensité du faisceau de RX après traversée d'une épaisseur x de matière,
Io : intensité initiale du faisceau de RX,
x : épaisseur de matériau traversé
µ : coefficient d'absorption linéaire du matériau traversé (exprimé en cm-1)
x
On obtient :
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Fonctionnement
•L’ensemble générateur et détecteurs de rayons X est solidarisé par un montage
mécanique rigide qui définit un plan de détection.
• L'objet à étudier est placé dans le faisceau, le dispositif fournit une mesure de
l'atténuation du rayonnement dans ce plan.
•A l'aide des détecteurs, on obtient une série de mesures de l'atténuation résultant de
la traversée d'une tranche du corps.
•Le lit motorisé permet d’acquérir ensuite une série de coupes transversales.
« Qu'est-ce que le
passé, sinon du
présent qui est en
retard ? »
FLD – IUT MPH
FLD – IUT MPH
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Fonctionnement
Le faisceau rencontre des
structures de densité et
d'épaisseur différentes.
L’atténuation dépend donc de
plusieurs inconnues µ1x1, µ2x2,
….µnxn.
L’atténuation mesurée par un
détecteur dépend de toutes les
structures traversées et la valeur
de µ est une valeur moyenne
FLD – IUT MPH
Fonctionnement
Une seule de ces projections ne suffit pas à reconstituer la
structure de la coupe. Un mouvement de rotation de
l'ensemble autour du grand axe de l'objet examiné, permet
alors d'enregistrer des profils résultants de la traversée de la
même coupe suivant différentes directions.
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Unité de Hounsfield
« Un inconnu qui, au cours
d'une discussion d'intérêts,
tentait de soulever une
énorme difficulté a été
écrasé par celle-ci. »
Hounsfield a choisi une échelle qui affecte aux 3 densités fondamentales les valeurs suivantes :
Air = -1000
Eau = 0
Os = + 1000.
ex : Graisse = - 60 à - 120
Ainsi, on définit l'indice
Hounsfield (IH) par la formule
mathématique suivante :
FLD – IUT MPH
Architecture d’un tomodensitomètre
Un appareil de tomodensitométrie à rayons X comporte :
- Un système d'acquisition des données
- Un système de traitement du signal
- Un système de visualisation
- Un système de commande de l'ensemble
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La chaîne scanographique
FLD – IUT MPH
La chaîne radiologique
Générateur de rayons X
* alimente le tube à rayons X
* délivre
- une HT continue (80 à 140 kV)
- un courant constant (de 10 à 500 mA).
=> Puissance totale disponible de 50 à 60 kW.
Le + souvent « embarqué » dans le statif.
Tube performants +++.
doivent être capables :
- d’absorber de fortes contraintes thermiques
- d'évacuer la chaleur grâce à une dissipation thermique importante
(permettant de réaliser une deuxième hélice si la première a porté le tube à sa charge thermique maximale).
- supporter
les contraintes mécaniques de la force centrifuge des
statifs de dernière génération
• anode tournante,
• à foyer fin de l’ordre du mm, avec émission continue.
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Filtrage et collimation
Le filtrage et la collimation permettent la mise en
forme du faisceau de rayons X.
Filtrage
- effectué par une lame métallique de faible
épaisseur.
- permet d’obtenir un spectre de rayonnement étroit,
d’approcher le monochromatisme.
Collimations primaires et secondaires
collimation primaire située en aval du filtrage
* calibre le faisceau RX en fonction de l’épaisseur
de coupe désirée.
* limite l’irradiation inutile.
collimation secondaire placée avant le détecteur.
* doit être parfaitement alignée avec le foyer et la
collimation primaire.
* limite le rayonnement diffusé par le patient.
« Rien ne prédispose
davantage à l'aspect
pensif que l'absence
totale de pensée. »
FLD – IUT MPH
Détection
• Le détecteur transforme les photons X en
signal électrique. Ce signal est directement
proportionnel à l’intensité du faisceau de
rayons.
• Le profil d’atténuation ou projection
correspond à l’ensemble des signaux
électriques fourni par la totalité des
détecteurs pour un angle de rotation donné.
• Un mouvement de rotation autour du grand
axe de l’objet à examiner permet
d’enregistrer une série de profils
d’atténuation résultants de la traversée de la
même coupe selon différents angles de
rotation (de l’ordre de 1000 mesures par
rotation).
FLD – IUT MPH
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Détecteurs
Chambres d’ionisation au xénon
Les photons X sont directement transformés en signal électrique. Leur efficacité
(rendement) est faible (60 à 70% de l’énergie est absorbée).
Détecteurs solides
utilisés par la plupart des scanners actuels (parfois nommés incorrectement
semiconducteurs)
Les photons X sont absorbés par un scintillateur (céramique) et convertis en
photons lumineux, eux mêmes convertis en signal électrique par une photodiode
- efficacité excellente
- temps de réponse
rapides
- faible rémanence.
FLD – IUT MPH
Réalisation des profils de densité
Le faisceau émis par le tube à RX, irradie plusieurs
détecteurs et permet de faire de multiples mesures de densité
sur différents axes. On obtient ainsi un « profil de densité »
selon un angle de projection α
FLD – IUT MPH
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Modélisation du faisceau par
rotation
Lorsque le faisceau de RX tourne autour de l'objet, on obtient une
grande quantité de projections et de mesures, dans le plan de référence
avec différents angles de projections.
Le nombre de projections effectué, dépend de la géométrie du système
et en particulier de la largeur du faisceau. Pour chaque valeur
angulaire α, on obtient un profil de densité.
La sommation de tous ces profils de
densité obtenus pour ces différentes
valeurs angulaires, s'appelle un
«sinogramme»
« Souffrant d'insomnie,
j'échangerais un matelas
de plumes contre un
sommeil de plomb. »
FLD – IUT MPH
Sinogramme
a - Distribution test,
b - sinogramme mesuré
c - image reconstruite.
Le sinogramme traduit la mesure d'atténuation avec en
abscisse, le numéro de détecteur et en ordonnée, l'angle de
projection : un pixel de la surface à reconstruire décrit une
sinusoïde d'où le terme de sinogramme.
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Traitement du signal
•Le rayonnement X reçu par les détecteurs, est transformé en
courant électrique.
• Cette conversion aboutit à un signal qui va être amplifié et
numérisé.
•
La numérisation consiste à transformer le
signal de type analogique en données
chiffrées qu'un ordinateur peut classer,
stocker dans une matrice de
reconstruction et traiter ensuite.
•Traitement du signal, reconstruction de l'image par
rétroprojection filtrée.
« Le chemin le plus court d'un point à un autre
est la ligne droite, à condition que les deux
points soient bien en face l'un de l'autre. »
FLD – IUT MPH
La rétroprojection filtrée
On sait, depuis les travaux des mathématiciens, reconstituer un objet
à partir de ses projections sur un plan de référence.
On effectue pour cela deux opérations :
1) Une « Rétro-projection » ou épandage : reconstruction, consistant à projeter les
valeurs numériques obtenues sur le plan image, en leur attribuant des cordonnées
spatiales correspondantes à celles qu'elles avaient dans le plan de coupe examiné.
2) Une « déconvolution » ou filtrage : améliore la qualité d'image de l'objet
reconstruit, pour le rapprocher du modèle initial.
« Le carré est un triangle
qui a réussi, ou une
circonférence qui a mal
tourné... »
FLD – IUT MPH
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Un peu de maths!
• Ces opérations mathématiques
nécessitent des moyens de calcul puissants
qui ne peuvent être obtenus que par des
ordinateurs.
• La reconstruction proprement dite
s'effectue par une méthode algébrique
(calcul matriciel) ou plus couramment par
la méthode de la transformée de Radon ou
de Fourier.
Je vous épargne les formules…
FLD – IUT MPH
Visualisation
Les images sont présentées sur l'écran vidéo de la console.
Elles peuvent être « imprimées » sur film à l’aide d’un
reprographe.
La matrice de visualisation peut être équivalente à la matrice
de reconstruction ou présenter un plus grand nombre
d'éléments image.
FLD – IUT MPH
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Différentes générations d’appareils
Plusieurs variétés de géométrie de scanner ont été produites,
pour acquérir les données de transmission des rayons X
nécessaires à la reconstruction de l'image.
4 générations de modèles de scanner
FLD – IUT MPH
Petit historique
1971 : premier examen
tomodensitométrique cérébral
1974 : premier appareil corps entier
1979 : Prix Nobel de médecine décerné
à Allan MacLeod et Godfrey
N.Hounsfield pour la mise
au point du premier scanner
1989 : acquisition hélicoïdale
1992 : acquisition de deux coupes
simultanées par rotation
1998 : acquisition multicoupes
FLD – IUT MPH
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1e et 2e génération
Translation, rotation du tube et des détecteurs autour de l'objet
étudié
(La première génération ne comportait que 2 détecteurs séparés permettant
d'obtenir 2 coupes simultanément avec un temps d'acquisition de plusieurs
minutes)
FLD – IUT MPH
3e génération
Le tube et les détecteurs effectuent un mouvement de rotation autour
de l'objet. Cette technologie possède une couronne de détecteurs face
au tube de RX. Une série de détecteurs (de 500 à 1000) couvre la
largeur du sujet (50 cm pour l’abdomen).
C’est la
technologie la
plus répandue
sur les
scanners
actuels
FLD – IUT MPH
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4e génération
La couronne de détecteurs est fixe et seul le tube tourne
autour de l'objet.
FLD – IUT MPH
Scanner hélicoïdal et multicoupes
Les scanners classiques à rotation séquentielle ont été
longuement utilisé pour l'exploration du corps humain.
Avec les progrès technologiques et les recherches effectuées
dans le domaine de l'informatique, de l'imagerie et de
l'électronique, l'ensemble des constructeurs s'orientent vers de
nouvelles générations de machine :
le scanner hélicoïdal
le scanner multicoupes
FLD – IUT MPH
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Principe du scanner hélicoïdal
Le scanner hélicoïdal est caractérisé par la rotation continue du couple tubedétecteurs autour d'un lit d'examen, se déplaçant à vitesse constante durant
l'acquisition.
FLD – IUT MPH
Hélice et vitesse de rotation
Le tube à rayons X réalise ainsi un
déplacement en hélice, décrivant
un cylindre, si on se place dans un
repère lié à la table.
La vitesse de rotation sur les
scanners les plus récents est de 0,5
seconde/360°.
Cette vitesse soumet le tube à une
force centrifuge élevée de l’ordre
de 12G.
FLD – IUT MPH
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Volume d’acquisition
et dose d’irradiation
Pour une même longueur de déplacement de table, le volume irradié est
plus important en hélicoïdal, qu'en imagerie séquentielle.
La dose attribuée n'est pas forcement plus importante dans le cas du scanner
hélicoïdal. Le mouvement continu de l'ensemble tube, détecteurs et table, a
permis aux constructeurs d'optimiser la dose reçue par le patient au cours de
l'examen.
FLD – IUT MPH
Reconstruction des images
Au lieu de calculer pour chaque rotation, à partir des données
brutes, une image comme en géométrie planaire, les images
sont reconstruites par interpolation entre deux projections
correspondantes, obtenues avec la même position angulaire
sur deux rotations consécutives.
Ces deux projections permettent de
reconstruire des coupes à n'importe quel
niveau le long de l'axe de déplacement
longitudinal du lit d'examen.
FLD – IUT MPH
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Reconstruction des images
Les données brutes acquises constituent une représentation
fidèle du volume balayé. Les données de projections,
obtenues à partir d'un niveau de coupe spécifique, subissent
la rétroprojection filtrée.
Le nombre d'images, la taille du champ de visualisation, la
position de l'image sur l'axe Z et l'axe de déplacement du lit
sont choisis de façon rétrospective, par l'utilisateur pour un
volume balayé donné.
FLD – IUT MPH
Scanner monocoupes et multicoupes
• Scanner monocoupe
comporte dans l’axe Z une seule
couronne de détecteurs. De 500 à
900 éléments sont disposés dans
l’axe x sur environ 50 ° en éventail.
Une seule coupe est acquise par
rotation.
• Scanner multicoupes
comporte de multiples couronnes
de détecteurs (de 8 à 64
actuellement). Le principe est la
subdivision de la couronne de
détecteurs dans l’axe Z.
FLD – IUT MPH
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Scanner multicoupes
• Ainsi si un scanner monocoupe possède par exemple
une couronne avec 900 éléments répartis dans l’axe
X, le scanner multicoupe équivalent, dans le cas
d’une subdivision en 16 dans l’axe Z possédera une
matrice de 900x16 soit 14400 éléments.
• Les scanners actuels utilisent simultanément 16
couronnes réelles ou combinées pour acquérir 16
coupes simultanées par rotation.
• Des scanners à 32 et 64 coupes par rotation sont
d’ores et déjà commercialisées.
FLD – IUT MPH
Acquisition des coupes
Une coupe peut être obtenue :
• par la combinaison des signaux de plusieurs couronnes de
détecteurs adjacente.
ou
• par une seule
couronne de
détecteurs
FLD – IUT MPH
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Effet de cône
principal facteur limitant le nombre de coupes simultanées par rotation
• La projection du faisceau de rayons
X représente dans l’axe Z un cône.
• Les rangées centrales de détecteurs
sont atteintes perpendiculairement à
l’axe de rotation, tandis que les
rangées les plus externes sont
atteintes obliquement par les rayons
X.
• Cette obliquité dégrade la qualité de
l’image en périphérie et entraîne
une réduction de l’efficacité des
détecteurs périphériques, surtout
s’ils sont de petite taille.
FLD – IUT MPH
Détecteurs
• L’arrangement des détecteurs dans l’axe Z varie selon les
constructeurs.
- symétriques : tous les détecteurs ont la même largeur
- asymétriques : la largeur des détecteurs croit au fur et à mesure
qu’ils s’écartent de la perpendiculaire à l’axe de rotation.
(compense l’artefact de cône)
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Avantages des scanners spiralés et
multicoupes
La rotation continue du tube à rayons X peut
prendre différentes vitesses de rotation (entre 0.6 s
et 4 s par tour). La rapidité de rotation permet une
acquisition brève, ~ 30 secondes, permettant en
particulier son utilisation en pédiatrie.
Le scanner hélicoïdal permet de faire l'imagerie
des parties du corps, qui sont en mouvement
perpétuel comme les pics artériels, les retours
veineux.
Cette imagerie est rarement possible sur un
scanner planaire, car les mouvements
involontaires du patient introduisent du flou dans
l'image.
FLD – IUT MPH
Avantages des scanners spiralés et
multicoupes
Le traitement secondaire des informations acquises, permet
de faire des reconstructions, 2D multiplanaires (MPR
Multiplanar Reconstruction), 3D surfacique, 3D volumique,
ou bien encore de l'endoscopie virtuelle d'excellente qualité.
Les avantages de cette acquisition hélicoïdale volumique sont
multiples et en particulier en ce qui concerne l'étude
vasculaire en diagnostic. De nombreuses explorations
vasculaires permettent l'analyse des artères et des veines.
L'angioscanner hélicoïdal des vaisseaux est une méthode
d'analyse vasculaire très fiable, non invasive, rapide et à
moindre coût, qui tend à remplacer les techniques invasives.
FLD – IUT MPH
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« Si tous ceux qui croient avoir
raison n'avaient pas tort, la vérité
ne serait pas loin. »
Pierre Dac
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