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Les rayons X Historique Production des Rx Interaction des particules avec la matière Spectre continu - Effet de freinage Spectre de raies Le tube à rayons X Cathode Anode Foyer Ampoule Gaine Spectre d’Émission - Filtration Caractéristiques des Rayons X Interaction des Rayons X avec la matière Effet photoélectrique Effet Compton Transfert linéique d’énergie Couche de demi atténuation Image Radiante Facteurs géométriques Rayonnement diffusé Grille anti diffusante Section DTS en Imagerie Médicale et Radiologie Thérapeutique Historique Wilhem Conrad Roentgen 1895 Tube de Crookes Noircit une plaque photosensible Provoque l’illumination d’une plaque de platino cyanure de barium Les Rayons « X » viennent de naître 1ère Radio sur la main de son épouse : Bertha Roentgen Production des Rayons X RX issus de l’interaction d’électrons accélérés avec une cible en Tungstène Production des Rayons X Electrons obtenus par Effet thermo-ionique ou Effet Edison. On chauffe un filament (W = RI²t ) et l’on obtient en fonction de l’intensité un « nuage électronique » plus ou moins dense. Effet Edison La ө dépend de l’intensité Cathode à deux filaments Remarque Pour éviter la dispersion des e- due à leur répulsion électrique, e- ee e- e- Remarque Pour éviter la dispersion des e- due à leur répulsion électrique, le filament est entouré d’un cylindre chargé négativement C’est une pièce de concentration. e-ee e e- Production des Rayons X Les électrons se trouvant dans une "atmosphère" de vide sont accélérés par l’application d’une haute tension entre la cathode (filament) et l’anode Circulation du – vers le + Ce pinceau d’électrons heurte l’anode en produisant principalement de la chaleur (99%) et des rayons X (1%) selon deux phénomènes associés L’émission d’un spectre continu L’émission d’un spectre de raies Spectre continu Lors du bombardement de l’anode*, un e- pénètre dans l’atome . Il est dévié par la masse du noyau de l’atome cible . Il freine en se débarrassant de la majeure partie de son énergie cinétique sous forme de Rayons X On parle de rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung *Anode en Tungstène Numéro atomique élevé (74) offrant une forte probabilité d’interaction avec les électrons Incidents et le cortège électronique cible et résistant à la chaleur dégagée lors du rayonnement Effet de freinage Effet de freinage : Cas extrême N°1 Effet de freinage : Cas extrême N°2 Spectre continu Il est indépendant de l’élément composant l’anode Il dépend de la tension d’accélération des électrons donc de l’énergie des électrons incidents Spectre de raies* Collision : 2 possibilités : Excitation – Ionisation Il arrive qu’un électron du faisceau entre en collision avec un électron de l’orbite fondamentale K de l’atome de Tungstène Les deux électrons s’éjectent créant un espace disponible pour qu’un électron d’une orbite supérieure puisse y « tomber », ce qui a pour effet de libérer de l’énergie sous la forme d’un rayonnement X Tout électron tombant au niveau K et provenant de n’importe quelle couche supérieure (L,M,N…) libère une énergie comprise entre 57,4 keV et 69,5 keV Ce sont les seules transitions importantes produisant des Rayons X utiles en Radiodiagnostic L’énergie libérée par les autres transitions insuffisante *1 Raie = réorganisation du cortège Spectre de raies Il est caractéristique de l’élément composant l’anode. En résumé Le flux de photons est composé d’un fond de faible énergie et de raies caractéristique d’énergie plus élevée. Le tube à Rayons X Le tube à Rayons X Elément essentiel de la chaîne radiogène Utilisé en Radiologie conventionnelle, en Radiologie vasculaire, en tomodensitométrie Les performances demandées sont très différentes Doit répondre à deux qualités essentielles mais contradictoires Grande puissance (temps de pose courts) Grande finesse de foyer (résolution spaciale) Le tube à Rayons X Cathode (cf production des rayons X) Anode Le tube à Rayons X L’anode Sa conception tient compte des deux caractéristiques précédemment citées : Grande puissance et surface de production de petite taille Deux types d’anode : fixe ou tournante Plaque de tungstène biseautée sertie dans un cylindre de cuivre et placée en face de la cathode pour être frappée par le faisceau électronique. Le tube à Rayons X La surface de l’anode frappée par les électrons ou foyer thermique est rectangulaire Sa projection sur la fenêtre d’émergence du tube est carrée. C’est le foyer optique Le tube à Rayons X L’angle formé entre la piste d’anode et le rayon directeur est appelé angle d’anode Varie entre 10 et 20° Le foyer optique est proportionnel au sinus de l’angle Le tube à Rayons X Anode tournante L’anode se présente sous la forme d’un disque tronconique de forme aplatie tournant en regard de la cathode Elle est portée par un rotor monté sur roulements permettant une rotation de 3000 à 9000tr/mn Le tube à Rayons X Anode tournante à deux foyers Le tube à Rayons X Finesse de foyer Plus le foyer sera petit (angle d’anode réduit) plus on augmentera la définition spaciale Ex : Utilisation de foyers fins de 0,1 à 0.3 mm Dans ce cas, l’anode est en molybdène Le tube à Rayons X L’ampoule La cathode et l’anode sont placées dans une enceinte où règne un vide poussé (pas ou peu d’interactions entre les électrons) Cette ampoule en verre contient une huile isolante (refroidissement) Le tube à Rayons X Production conique des X Le tube à Rayons X Spectre d’émission Nombre important de photons de faible énergie Nombre de RX Exemple : 100 kV de d.d.p. aux bornes du tube 100 keV Le tube à Rayons X Filtration du faisceau de photons Inhérente Paroi de verre et gaine d’huile + filtre sortie de tube (réglementation : 2,5 équivalent Al. au minimum) Le tube à Rayons X Spectre d’émission après filtration du faisceau Nombre de RX Exemple : 100 kV de d.d.p. aux bornes du tube 100 keV Le tube à Rayons X Filtration du faisceau de photons Inhérente Paroi de verre et gaine d’huile + filtre sortie de tube (réglementation : 2,5 équivalent Al. au minimum) Additionnelle Filtre Aluminium : 2mm Al…. +/- 0,1 mmCu…. Filtration additionnelle Permet d’obtenir un meilleur rendement en profondeur Doit suivre les recommandations des sociétés savantes (ex SFR) Crâne enfant de 5 ans : 1mm Al +/- 0,1 à 0,2 mm Cu Niveaux de Référence Diagnostique Le niveau de référence proposé par la Commission Européenne est de •1500µGy pour la dose à l’entrée (1,5mGy) •pour un enfant de 5 ans Le tube à Rayons X Impact de la filtration sur la dose à l’entrée Rayons X : Nature Les Rayons X sont des rayonnements électromagnétiques de très courte longueur d’onde. Rayons X Caractéristiques Invisibles, Inodores, Inaudibles Se déplacent à la vitesse de la lumière 3 108 ms-1 Se déplacent en ligne droite Sont caractérisés par Une fréquence Ʋ exprimée en Hz ou s-1 Une période T = 1/ Ʋ exprimée en s Une longueur d’onde λ représentant la distance parcourue en 1 période Transportent de l’énergie Rayons X Caractéristiques Loi de l’inverse carré des distances Les rayons X Interactions avec la matière Effet Compton Effet photoélectrique Les rayons X Interactions avec la matière Effet photoélectrique Lorsque le rayon est de faible énergie, il y a absorption totale de l’énergie du photon dans la matière L’effet photo électrique dépend De l’énergie des rayons X (faible énergie) Des numéros atomiques des atomes (Z élevés++) Les rayons X Interactions avec la matière Effet Compton Lorsque le rayon est de forte énergie, il y a diffusion d’une partie de l’énergie du photon par la matière L’effet Compton dépend De l’énergie des rayons X (Forte énergie) Les numéros atomiques des atomes influencent très peu la probabilité d’interaction par effet Compton Rayons X Transfert Linéique d’Energie TEL C’est l’énergie libérée par un photon ou une particule, dans la matière par unité de longueur Loi d’atténuation de Beer-Lambert I = Ioe -µx I : Nombre de photons après la traversée de la matière Io: Nombre initial de photons e : Fonction exponentielle µ : Coéfficient linéique global d’atténuation x: épaisseur traversée Rayons X Transfert Linéique d’Energie TEL CDA = Couche de demi-atténuation C’est l’épaisseur nécessaire à arrêter la moitié des rayons X Rayons X Transfert Linéique d’Energie TEL Loi d’atténuation et épaisseur traversée I0 x I0 2x I’ I A matière équivalente, plus l’épaisseur augmente, plus le nombre de photons résiduels diminue Rayons X Transfert Linéique d’Energie TEL Loi d’atténuation et µ I0 x1 = x2 μ1 = 2.μ2 x1 x2 I1 I2 A épaisseur égale, M1 est deux fois plus absorbante que M2 Rayons X Transfert Linéique d’Energie TEL Loi d’atténuation, épaisseur et µ I0 I0 I0 I0 I1 I2 I1 I2 I I0 I1 I0 Contraste I1 Contraste I2 I2 L’image Radiante X = Projection 2D à un instant T D’un volume 3D dynamique L’image Radiante X Les images et les pièges Quelle est la plus longue barre noire? Une image est une représentation d’une réalité. Ce n’est pas la réalité ! Quel est le plus grand cercle central? L’image Radiante X Facteurs géométriques Loi de confusion des plans L’image Radiante X Facteurs géométriques Loi de l’agrandissement DFF = 1m DFF R= DFF - DOF =1m RA=2 RB=1.33 0.5 0.25 L’image Radiante X Facteurs géométriques Loi de la déformation Lorsque la projection n'est pas orthogonale l'image est déformée Cette distorsion de forme est d'autant plus grande que les angles d'incidence et de projection s'éloignent de 90° L’image Radiante X Influence de l'angle d'incidence long. A = long. B A B αA = 90° αB = 30° long. B' << long.A' L’image Radiante X Influence de l'angle de projection L’image Radiante X Facteurs géométriques Loi des tangentes Signal X Signal X Distance Distance L’image Radiante X Facteurs géométriques Flou géométrique Proportionnel à l’agrandissement Proportionnel aux dimensions du foyer L’image Radiante X Facteurs géométriques Flou cinétique Proportionnel à la vitesse de déplacement de l'objet Proportionnel au temps d'exposition Proportionnel à l’agrandissement P1 P2 t0 P3 t1 t2 L’image Radiante X Le contraste Il est la traduction visuelle de la modulation du faisceau au cours de la traversée du patient Remarque Une image peut être floue, si le contraste est suffisant entre deux objets, ils seront distingués. L’image Radiante X La définition C’est la netteté ou l’absence de flou A Une image peut être parfaitement nette, mais si deux objets qui la composent ont un contraste insuffisant, ces deux objets ne seront pas distingués A B L’image Radiante X La définition C’est la netteté ou l’absence de flou A Une image peut être parfaitement nette, mais si deux objets qui la composent ont un contraste insuffisant, ces deux objets ne seront pas distingués A B L’image Radiante X Le bruit C’est la variation aléatoire des valeurs de gris à partir d'un objet absorbant uniforme A L’image Radiante X Le rayonnement diffusé C’est le rayonnement produit par effet Compton avec changement de direction par rapport au Rayon Directeur X X d p X X X p p d X p L’image Radiante X Le rayonnement diffusé Direction du diffusé : dans les 4plans de l’espace L’intensité du rayonnement diffusé est proportionnel à l’intensité du faisceau primaire. I0 Amplitude S D L’image Radiante X Le rayonnement diffusé L’os diffuse légèrement moins que les tissus mous (A tension égale, l’effet photoélectrique est plus important pour l’os que pour les tissus mous). Le rayonnement diffusé est proportionnel à la surface d'exposition Importance de diaphragmer Le rayonnement diffusé est proportionnel à l’épaisseur traversée « Diminuer l’épaisseur » - Compression L’image Radiante X Le rayonnement diffusé : Conséquences Le rayonnement diffusé diminue la perception des structures de faibles dimensions Le rayonnement diffusé diminue la perception des structures de faibles différences d’absorption.
