Scanner à rayon X
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Scanner à rayon X Omar Cherif Lezzar REMERCIEMENTS Tout d’abord, nous exprimons nos plus vifs remerciements à l’équipe dirigeante du centre d’imagerie médicale « El Amane » pour avoir contribuée à notre formation pratique en acceptant de nous recevoir dans leur établissement. Ce stage a été effectué auprès du radiologue Dr. J.Benchiheb. Son expérience nous a été d’un bon apport à la compréhension du fonctionnement de certains appareils médicaux particulièrement la scanner. Ses conseils, sa disponibilité et sa patience nous ont initier à l’instrumentation médicale et nous ont donné une plus large vision sur la spécialité de notre formation de licence. Qu’il trouve ici l’expression de notre reconnaissance et de notre gratitude. Monsieur B.BOUKHAZZAR chargé de cours au département d’Electronique de l’Université Mentouri de Constantine a accepté de suivre la progression de notre stage et nous a orienté tout le long de la rédaction de notre rapport de stage. Nous le remercions vivement et qu’il trouve ici l’expression de notre reconnaissance. Nos remerciements vont également aux services du vice rectorat chargé de la coopération et des stages de l’Université ainsi qu’à ceux du département d’Électronique pour leur souplesse et la facilité trouvées dans l’octroi des documents relatifs à notre stage. Que toute personne, qui nous a aidé de près ou de loin dans la réalisation de notre stage, trouve ici l’expression de notre gratitude. 2 Omar Cherif Lezzar RESUME : Ce stage a été effectué dans un centre d’imagerie médicale. L’objectif de notre stage est la compréhension de certains appareils médicaux utilisés en milieu hospitalier. Nous nous sommes intéressés au mode de fonctionnement du scanner à rayon X et de son utilisation. Un intérêt particulier a été porté au mode de fonctionnement de la partie électronique de cet appareil, très utilisé dans le diagnostic des anomalies dans le domaine de la santé. Effectivement, le scanner permet d’explorer et de voir l’intérieur du corps humain. On peut visualiser tout les organes, les os, les liquides, etc. En noir et blanc, cet appareil donne des images en coupe qui peuvent être assemblées pour obtenir une image tridimensionnelle et à l’aide de logicielles une image en 3D couleur. I. Introduction Le mot “scanner” vient de l’anglais “scanography”. Ce terme vient du mot anglais “to scan” qui signifie “scruter” et du grec “graphein” (écrire). L’examen du scanner est aussi appelé tomodensitométrie, scanographie à rayon X, tomographie axiale couplée avec ordinateur. Le scanner médicale entre dans le diagnostic que demande le médecin au patient, pour l’aider à découvrir les variations anormales dans le corps humain. Grace à ce type de radiologie le médecin peut effectuer une interprétation poussée et donner le bon traitement au patient. En effet, le scanner qui permet de voir l’intérieur du corps humain et visualiser ainsi ; organes, os, liquide et autres en deux dimensions et même trois dimensions, noir et blanc ou en couleurs, est une grande avancée dans la technologie de découverte du corps humain et une précision dans le traitement des maladies. 3 Omar Cherif Lezzar II. Chapitre1 : Présentation de la structure d’accueil La structure d’accueil est le centre d’imagerie médicale El Amane, appartenant à un groupe de médecins spécialistes en radiologie, parmi eux se trouve le Dr J.BENCHIHEB qui a été notre guide dans ce stage. C’est un établissent privé, ou l’image médicale obtenue par plusieurs différents appareils est étudiée et interprétée. Il se situe dans une construction de trois niveaux (R+ 2) au faubourg, construite spécialement pour ce type d’activité. - L’accueil des patients et autres se fait au rez-de-chaussée avec une salle d’attente ainsi que deux salles de radiologie une pour le scanner et une autre pour l’IRM. - Au premier niveau, on trouve une autre salle d’attente et d’autres salles de radiologie, telles que ; la radiologie numérique, la panoramique et la mammographie et une salle de traitement des images recueillies des différents appareils de radiologie. - Au dernier niveau, on trouve une autre salle d’attente et une salle d’écographie ainsi que les bureaux des médecins qui dirigent le centre et interprètent médicalement les images médicales recueillies à partir de tous ces appareils de radiologie. III. Chapitre2 : Déroulement du stage 1-Historique du scanner : Le principe de la tomodensitométrie repose sur le théorème de Radon (1917) qui décrit comment il est possible de reconstruire la géométrie bidimensionnelle d'un objet à partir d'une série de projections mesurées autour de celui-ci. Cette méthode peut être étendue à la reconstruction de la tomographie interne d'un objet à partir de la façon dont les rayons traversant celui-ci sont absorbés suivant leurs angles de pénétration. Toutefois, les calculs nécessaires à cette technique la rendaient impraticable avant l'avènement des ordinateurs. 4 Omar Cherif Lezzar L’idée du scanner vient de deux médecins : le docteur OLDENDORF et le docteur AMBROSE. Le premier scanner à rayons X a été inventé par un ingénieur britannique : GODFREY NEWBOLD HOUNSFIELD. Il travaillait pour la firme EMIMusical Industries. Le prototype a été réalisé en 1968 et présenté pour la première fois en 1972. Les premières images de tomodensitométrie furent réalisées sur le cerveau (en 1971 fut réalisé le premier scanne crânien dans un hôpital a Londres). Les progrès furent alors très rapides. Par la suite, elles ont été effectuées sur l’ensemble du corps à partir de 1974. La mise au point de la scanographie a été saluée comme la découverte la plus importante en radiologie depuis celle des rayons X par W.C. Roentgen en 1895. Elle a valu à A.M. Cormak et G.M. Hounsfield le prix Nobel de Médecine en 1979 Le scanner a révolutionné, depuis les années 70, le diagnostic médical. C’est la mise au point d’ordinateurs puissants qui a permis d’obtenir des images formées à partir de calculs complexes. Depuis 1972, la technologie du scanner a été perfectionnée et continue d’évoluer afin d’améliorer la qualité des informations tout en limitant la dose d’irradiation par les rayons X. Au début, les scanners comprenaient un tube générateur de rayons X et un seul détecteur, le patient étant entre les deux. Puis on a réalisé une rotation de quelques degrés de l’ensemble, enfin une rotation de 180 degrés avec une possibilité de 10 000 mesures. En multipliant le nombre de détecteurs, on a réalisé ce qu’on appelle une «barrette de détecteurs» et on est passé de trois minutes à une minute de temps de pose par coupe. Depuis son apparition il y a maintenant plus de trente ans, la scanographie a connu un succès croissant, le nombre de scanners ayant par exemple plus que doublé entre 1988 (229 machines) et 1997 (563 machines). Aussi, compte tenu des niveaux de doses relativement élevés délivrés par ces examens, cette technique d'imagerie représente à ce jour la principale source d'exposition de la population dans le domaine du radiodiagnostic. 5 Omar Cherif Lezzar 1.1-Première génération : C’est celle du premier appareil de Hounsfield : le foyer émet un seul faisceau fin, le détecteur unique est lié mécaniquement au foyer. - Ce faisceau subit une translation qui parcourt la largeur de la tête. - Une rotation angulaire de 1°, amène le tube au départ d'une nouvelle translation. - L'appareil tourne ainsi sur 180°, en 20 minutes. 1.2-Deuxième génération : Les appareils de deuxième génération ont été commercialisés vers 1974. Un faisceau en pinceau large est détecté par une série limitée de détecteurs et permet d'étudier une zone plus large ; les déplacements restent identiques, mais le temps passe à 20 ou 40 secondes par coupe. Seul le crâne est accessible. 1.3-Troisième génération : Elle constitue la quasi totalité des appareils en service par opposition à la deuxième génération, on les appelle "corps entier". Une série de détecteurs (500 à 1000) correspond à la largeur de la région étudiée. Une seule émission de RX couvre la largeur du sujet (50cm pour un abdomen) sur une épaisseur de 1 à 10mm. Seul le mouvement circulaire est utilisé ; 180 ou 360 émissions successives sont faites et détectées en 2 à 7 secondes. 6 Omar Cherif Lezzar 1.4- Quatrième génération : Des détecteurs fixes, plusieurs milliers, font une couronne complète autour de l'anneau ; seul le foyer des RX, et donc le faisceau X tourne autour du malade. La vitesse peut encore augmenter, mais l'appareillage devient sensible au rayonnement diffusé puisque les détecteurs qui ne reçoivent pas de rayonnement direct reçoivent du rayonnement diffusé. 1.5-Cinquième génération : Le ciné-scanner (imatron) est un autre type de scanner qui peut être appelé à un développement ultérieur, en particulier pour l’exploration cardiaque, et peut être aussi pour le corps entier. Il est en concurrence avec les appareils de routine actuels (3ème et 4ème génération). Aucune pièce n’y est mobile en dehors du chariot patient. Un énorme canon a électrons projette un faisceau sur 1a 4 anneaux en tungstène, situé autour du patient ; le faisceau X nait de ces anneaux il est alors colimaté sur deux couronnes de détecteurs. Cette rotation est rapide (le temps de pose est voisin de 1/20 de seconde) (voir figure 5). 7 Omar Cherif Lezzar 2-Technologie: La scanographie à rayons X peut être définie comme une méthode de mesure de la densité radiologique des volumes élémentaire d’une coupe. Cette méthode radiologique donne des images du corps avec une étude des densités plus de 100 fois plus précise que celle obtenue sur une image radiologique conventionnelle, le scanner à rayons X étudie l’atténuation d’un faisceau de rayons X au cours de la traversée d’un segment du corpos ; toutefois, plusieurs éléments le différencient de la radiologie classique : l’étude de l’atténuation des rayons X se fait par des détecteurs (capteur) faits de cristaux à scintillation ou de chambres d’ionisation qui permettent de quantifier les mesure. La sensibilité est considérablement plus grande que celle du film radiologique. Générateurs et détecteurs de rayons X sont solidarisés par un montage mécanique rigide qui définit un plan de détection, l’objet à étudier étant placé dans le faisceau, le dispositif fournit alors une mesure de l’atténuation du rayonnement dans ce plan. Par les détecteurs, on obtient une série de mesures de l’atténuation résultant de la traversée d’une tranche de corps par rayons X, 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 une série de projection de l’atténuation résultant de la 8 Omar Cherif Lezzar traversée de la même coupe suivant différentes directions et une translation de la table nous permet de regrouper la coupe pour avoir un diagnostique plus précis. L’utilisation complexes de méthodes l’emploi d’ordinateurs, conduit par des différents profils à construire l’image de nécessitant mathématiques la distribution des coefficients d’atténuation au niveau de la section étudiée. Le principe de reconstitution de l’image numérique est analogique à celui du chiffre contenu dans une matrice dont on connait les sommes selon différents axes. 3-Constituants du scanner : 3.1- La Table patient : La table du scanner où le patient s’installe tout le long de l’examen se déplace verticalement et latéralement (figure ci-dessous). On fait descendre la table automatiquement et on installe le patient confortablement au milieu de celle-ci, ensuite on la fait remonté au niveau adéquat, la latitude est contrôlée par une commande et est détectée par un fil qui indique la position exacte et arrive à la bonne altitude. Puis on fait glisser la table latéralement jusqu’à la zone souhaitée pour être scanner, et qui sera au milieu de l’ensemble tube-détecteur et on programme la vitesse de translation de la table. 9 Omar Cherif Lezzar Fille détecteur de la hauteur Moteur de déplacement vertical Moteur de déplacement horizontal 3.2- Le Gantry : Le cœur du scanner à pour rôle principale la production des rayons X, la détection des rayons X non atténués et la transmission de l’information au centre de calcul. Il se compose d’un stator et d’un rotor. Le rotor est composé du tube radio gène qui produit les rayons X, du radiateur système de refroidissement du tube, des détecteurs qui détectent l’atténuation des rayons X, des fusibles et de deux transformateurs et redresseur pour anode et cathode qui augmentent la tension de 10 Omar Cherif Lezzar 400V à 140kV et la redresse en un signal continu. Le stator est composé d’un convertisseur analogique numérique, du moteur qui fait tourner le gantry, du circuit de commande qui fait marcher le gantry (la carte mère) et du circuit électronique qui contrôle la voie. Quand le patient est placé entre le tube et les détecteurs, le signale donne le début de la radiation, le tube-détecteur tourne à une très grande vitesse qui est elle aussi contrôlée par un système de commande. Droite du gantry : Il est composé : - un ensemble de transformateur utile pour la conversion de tension dont le gantry a besoin. - une tige de support sur laquelle repose le gantry pour le faire inclinée, - un détecteur de L’angle d’inclinaison. - le circuit imprimé composé de micro processeurs. 11 Omar Cherif Lezzar Circuit imprimé du gantry Gauche du gantry : Il est composé de transformateur et de la tige d’inclinaison du gantry. 12 Omar Cherif Lezzar Scanner avec électrocardiogramme L’information et l’alimentation se transmettent du stator au rotor par des pinces qui sont fixées au stator et qui frottent le rotor. Transmission des donnés du stator vers le rotor 4-Principe du scanner : Dans un scanographe, un premier détecteur électronique (le capteur Co du schéma ci-dessus) mesure l’intensité du fin pinceau de rayons X émis par le tube à rayons X avant qu’il ne balaie point par point la tranche du corps à examiner. Pour explorer cette coupe, le tube effectue une rotation complète degré par degré. 13 Omar Cherif Lezzar Une partie du rayonnement incident (celui qui entre en contact avec le corps) est absorbée par les tissus traversés. Le rayonnement émergent (celui qui ressort) est capté par un détecteur électronique (le capteur C 1 quand la source est en S1) qui tourne en même temps que le tube (de façon synchrone). Quand la source est en S 2, le capteur est en C 2, etc. Au cours de la rotation, rayons X incidents et rayons X émergents captés sont comparés et convertis en signaux électriques. Un peu plus de 2 millions de données sont enregistrés en quelques secondes par l’ordinateur. Le programme de celui-ci permet de calculer l’absorption du rayonnement en chaque point de la coupe. Le scanner utilise l’absorption des rayons X en relation directe avec la densité des tissus que les rayons ont rencontrés. Les résultats sont alors mis en mémoire. Un traitement informatique complexe permet ensuite de faire apparaître sur l’écran l’image reconstituée d’une coupe axiale de 1 à 10 millimètres d’épaisseur. Cette image traduit les variations d’absorption des tissus auxquelles sont associées des traversés variations de nuances (noir, gris, blanc) ou des couleurs conventionnelles. 14 Omar Cherif Lezzar 5-LES ELEMENTS DE LA CHAINE SCANOGRAPHIQUE : 5.1-Tube radio gène (tube à rayons X) : Il permet la production des rayons X. Il est composé d’une ampoule de verre. d’une gaine où est placée l’ampoule et de l’huile minérale. 5.1.1-Ampoule de verre L’ampoule maintient un vide poussé où le déplacement des électrons ne rencontre aucun obstacle. Le verre doit résister à des températures très élevées provenant du filament et surtout du plateau anodique. 15 Omar Cherif Lezzar Pour les appareils actuels, les puissances élevées nécessaires exigent l'utilisation de tubes à anode tournante. La double exigence de l'ouverture importante du faisceau de rayons X (50 degrés) et de la limitation des effets gyroscopiques nécessitent une orientation de l'axe longitudinal du tube (ou de l'anode tournante) perpendiculaire au plan du mouvement de rotation. Les tubes à rayons X sont soumis à des contraintes mécaniques thermiques sévères, ils et sont généralement garantis pour 335 000 coupes. Les tubes à rayons X fonctionnent de la manière suivante : dans une enceinte de verre où règne le vide, des électrons sont émis par un grand filament en tungstène en forme de spirale (cathode) qui est chauffé à des très hautes températures par un courant électrique (effet EDISON). Le faisceau d'électrons doit être concentré sur une surface réduite (0,6mm x 2 mm de côté pour le petit foyer) et non pas se disperser sur toute la surface du plateau anodique. Cette concentration est obtenue en disposant le filament au fond d'une pièce métallique portée au potentiel négatif convenable repoussant vers le centre du faisceau les électrons négatifs, Cette concentration est obtenue en disposant le filament au fond d'une pièce métallique portée au potentiel négatif convenable repoussant vers le centre du faisceau les électrons négatifs et améliorant ainsi la finesse de l’image. Ils sont accélérés en direction d’une anode (ou anticathode) par un champ électrique créé par une différence de potentiel élevée (généralement de 10 à 150 kV) entre le filament qui sert de cathode et l’anode. Ces électrons entrent en collision avec la cible qui constitue le métal de l’anode. 16 Omar Cherif Lezzar 5.1.2-Le plateau anodique : Le plateau anodique monté sur un axe de rotation joue un rôle de : masse ayant une capacité d'accumulation thermique de l'énergie introduite de manière discontinue lors de chaque cliché source de dissipation de cette quantité de chaleur conducteur électrique (anode) support mécanique en rotation rapide Le diamètre du plateau mesure 70 à 120 mm pour les modèles courants. 5.1.3-Le moteur d'entraînement du plateau anodique : Le plateau anodique tourne à 3000 ou 9000 t/min, entraîné par un axe, lui-même lié au rotor du moteur situé dans l'ampoule de verre ; des roulements à billes de grande qualité permettent un fonctionnement malgré les contraintes thermiques. Le stator du moteur est disposé à l'extérieur de l'ampoule : le courant nécessaire pour accélérer le plateau à 9000 t/min en un temps bref (1 à 1,5 secondes) représente environ 400 V et 10 A (4 kW) donc une source de chaleur non négligeable lorsque l'entraînement d'anode est inutilement prolongé. 5.1.4-Création des rayons X : Il y a deux phénomènes complètement différents susceptibles de donner naissance à des rayons X : 17 Omar Cherif Lezzar 5.1.4.1-Le spectre continu : Lorsqu'un électron d'énergie cinétique E c arrive au voisinage d'un noyau, sa vitesse est réduite de quelques 100 000 km.s-1 à celle des électrons libres dans un métal (1 000 km.s-1) ; sa trajectoire est déviée et il subit une accélération due à la force attractive d'origine électrostatique. Il s'avère qu'une particule décélérée (freinée) rayonne de l'énergie. L'énergie émise sous forme de photons X est prélevée sur l'énergie cinétique E c de l'électron qui poursuit sa trajectoire avec une énergie cinétique plus faible E'c telle que : 5.1.4.2-Le spectre de raies (discret) : Lorsqu’un électron très énergétique arrive sur un atome de la cible, la probabilité pour qu'il heurte un électron du cortège électronique n'est pas négligeable. Si cet électron possède une énergie cinétique supérieure à l'énergie d'ionisation d'un électron du cortège électronique, celui-ci est expulsé. 18 Omar Cherif Lezzar Si l'électron incident à une énergie cinétique assez forte, il pourra expulser un électron des niveaux internes de l'atome. Dès lors, l'atome devient instable ; un réarrangement électronique se produit en moins de 10-16 s. Supposons par exemple que l'électron incident ait une énergie cinétique supérieure à l'énergie d'ionisation d'un des deux électrons de la couche K (n = 1), celui-ci est alors expulsé. Sa place sur la couche K devient vacante. Les électrons des couches externes auront tendance à se précipiter dans la place laissée vacante. Ce faisant, l’électron qui change d’orbite perd de l’énergie, qui est rejetée à l’extérieur sous la forme d’un photon : tel est le mécanisme d’émission des photons des raies caractéristiques de rayons X. L’énergie E des photons ainsi émis est parfaitement déterminée. Elle est égale à la différence entre les énergies initiales W 1 et finale W 2 de l’électron qui change d’orbite : E = h. ν = W1-W2 Les piques représentant le spectre discret Les rayons X créés constituent 1% de l’énergie fournie et 99% de l’énergie est transformée en chaleur. Ces pour cela qu’on fait refroidir le tube. 5.1.5-La gaine du tube : La gaine métallique qui contient l'ensemble du tube joue les rôles suivants : - protection mécanique et électrique, moyen de support de l'ensemble, base de fixation du diaphragme ou des localisateurs. 19 Omar Cherif Lezzar - protection contre le rayonnement X : le rayonnement utile sort par une fenêtre limitée ; dans toutes les autres directions la gaine réduit la dose à de très faibles valeurs ; elle est entourée de plomb. - évacuation de la chaleur provenant de la cible de l'anode avec le l’huile refroidit grâce à un radiateur. 5.2-Collimateur primaire : Le collimateur primaire placé à la sortie du tube à rayons X a pour but de définir l'ouverture du faisceau de rayons X (fan beam : faisceau en éventail), qui peut varier de 40 à 50 degrés. La largeur du faisceau de rayons X, généralement de 1 à 10 mm, est obtenue par motorisation des deux « mâchoires » du collimateur par des fentes fixes pré-formées dans du plomb. La qualité de cette collimation est essentielle pour que le profil de dose soit aussi proche que possible de celui de la coupe. 5.3-L’absorption des rayons x par le tissu humain : La tomodensitométrie repose sur le principe de mesure de la densité de tissus traversés par un faisceau de rayons X à partir du calcul du coefficient d'atténuation. En effet, en tournant autour du patient le couple tube RX – Détecteurs on obtient une succession de projections de la « transparence » du patient selon différents angles répartis sur 360°. L’effet de l’absorption est appelé effet Compton. 5.3.1-Effet Compton : Cet effet a été découvert par le physicien américain Arthur Compton (prix Nobel de physique en 1927) et il décrit l'absorption des rayons X par les électrons. Cette découverte a contribué à confirmer la dualité ondeparticule de la lumière. L'effet Compton se produit lorsqu'un photon à haute énergie (rayon X - 100 keV à 10 MeV) entre en collision avec un électron périphérique peu lié à 20 Omar Cherif Lezzar l'atome : une partie de l'énergie du photon incident est transférée à l'électron. En conséquence, le photon a une longueur d'onde plus grande après collision. Après collision, la nouvelle direction du rayon X est aléatoire : il y a diffusion de ce rayon X dans toutes les directions même dans le sens opposé au faisceau incident. Cette augmentation de longueur d’onde varie par rapport au tissu (haire, liquide, os). 5.3.2-Effet photoélectrique : L’effet photoélectrique se produit en deux temps. Tout d’abord, le photon arrache un électron lié d’un atome. Il s’agit généralement d’un électron appartenant aux couches les plus internes L ou K (comme sur la figure). Ensuite l’atome qui a perdu un de ses électrons internes se trouve dans un état excité. Un électron d’une couche plus externe vient occuper la lacune laissée par l’électron éjecté. Si l’électron éjecté appartenait à la couche K comme sur la figure, un rayon de longueur d’onde visible. Variation de l’absorption en fonction de la longueur d’onde λ : Plus la longueur d’onde λ du rayonnement est faible (c’est-à-dire plus la fréquence ν est grande), plus le rayonnement est pénétrant : on parle alors de rayonnement dur, par opposition au rayonnement mou, de grande longueur d’onde λ (c’est-à-dire de fréquence ν faible), très fortement absorbé. Variation de l’absorption en fonction de la nature de l’élément : Pour un faisceau de rayons X de longueur d’onde λ donnée, une assemblée d’atomes lourds (de numéro atomique Z élevé, c’est-à-dire comportant chacun un grand nombre d’électrons) sera plus absorbante qu’une assemblée d’atomes légers. 21 Omar Cherif Lezzar Le facteur d’absorption μ pour une longueur d’onde λ donnée croît avec le numéro atomique Z de la substance absorbante. Par exemple, l’absorption par l’air ou par les chairs du corps humain est faible tandis que l’absorption par les os est plus importante. En résumé, plus le corps à étudier est épais ou absorbant, plus il devient nécessaire d’utiliser un rayonnement dur, c’est-à-dire de courte longueur d’onde λ (comme les rayons X). Les “profils d’absorption” : Nous allons voir pourquoi il faut une rotation complète degré par degré d’une coupe par un scanner pour l’étudier. Partons d’exemples simples : Une source de rayons X (RX) produit un pinceau qui tombe sur un élément de surface S d’épaisseur déterminée. Un détecteur électronique D reçoit les rayons émergents. La réponse électronique sous forme graphique s’appelle le “profil”. La direction RX-D est l’axe de détection. 22 Omar Cherif Lezzar Ici, un élément de surface S1 présente une tache T 1 transparente aux rayons X un deuxième élément S2 présente une tache presque opaque. Regardons les deux profils : - Absorption faible = faible atténuation du rayonnement X émergent. Le profil P1 présente un “pic” d’intensité étroit. - Absorption forte = forte atténuation du rayonnement X émergent. Le profil P2 ne présente pas de pic. Le profil renseigne donc sur le degré d’absorption des rayons X par la surface traversée. Mais comment cela se passe-t-il dans le cas d’un élément de surface S 3 qui contient à la fois T 1 et T 2 sur l’axe de détection ? Le profil ne rend pas compte de la présence de T 1. Une seule mesure ne peut pas renseigner sur la structure réelle. Il convient donc de faire tourner autour de S3, degré par degré, la source de rayons X (les axes de détection sont alors multiples) et d’enregistrer les séries de profils ou sinogrammes. Ainsi, pour la même coupe S3, les trois profils a, b et c sont différents. C’est l’accumulation de tous ces profils qui sera « digérée » par l’ordinateur. 23 Omar Cherif Lezzar Pour le scanner, l’ordinateur, ou plutôt sa programmation à l’aide d’outils mathématiques complexes, va exploiter les différents profils numérisés et construire l’image traduisant les variations d’absorption des rayons X par les divers éléments de surface S. On établit ainsi une véritable cartographie pour aboutir à la construction d’une image. Pour terminer, on peut se demander pourquoi les rayons X jouent dans ces études un rôle privilégié par rapport aux rayonnements de toutes les autres gammes de fréquence… C’est que, précisément, leurs longueurs d’onde sont de l’ordre de grandeur des distances interatomiques dans les molécules : entre 0,03 et 10 nm. Ils constituent donc un outil parfaitement adapté à l’échelle du phénomène à étudier. 5.4-Le statif : Il comprend l'anneau au centre duquel passe le malade ; le diamètre atteint maintenant 70 cm, ce qui donne la possibilité de faire des actes interventionnels. L'anneau peut prendre une obliquité de 25 à 30deg. Le plateau de table est commandé dans ses déplacements longitudinaux, il est asservi au pupitre de commande et au calculateur. Ces déplacements doivent être d'une très grande précision. 5.5-Collimateur secondaire : La collimation secondaire a pour but d'éliminer le rayonnement diffusé parvenant au détecteur, responsable de la dégradation du contraste. Elle permet de séparer les éléments de détection selon la direction perpendiculaire au plan de coupe, et d'améliorer la définition de la largeur de coupe dans la direction parallèle au plan de coupe. Cette dernière collimation peut être absente sur certains scanners. 24 Omar Cherif Lezzar 5.6-Détecteurs : Système physique de conversion du rayonnement X, atténué par la traversée de l'objet, en un signal électrique. Les éléments sont disposés en arc ou en couronne, en une rangée unique (scanner mono coupe) ou en plusieurs rangs (scanners multi coupes) dans l’axe Z. Les détecteurs d’un scanner multi coupes peuvent être de taille égale ou augmenter de taille du centre vers la périphérie de la rangée. Les conditions d'acquisition du faisceau de rayons X pour les scanners nécessitent, de la part des détecteurs, des caractéristiques spécifiques : L’efficacité de détection quantique qui représente le rapport entre le nombre de photons absorbés par le détecteur et le nombre de photons incidents. En pratique, le paramètre utile est l'efficacité globale de détection qui est le produit de l'efficacité quantique du détecteur et de l'efficacité géométrique. L'efficacité géométrique dépend de la dimension des cellules et du collimateur secondaire ; elle est fonction de dispositifs utilisés par certains constructeurs (lamelles masquant la moitié de chaque détecteur par exemple). - la précision et la stabilité différentielle des cellules : l'efficacité quantique de détection de chaque cellule doit être constante en fonction de l'énergie et de la fluence énergétique. - la dynamique des mesures : quel que soit le type de détecteur utilisé, la dynamique de mesure est de 1:106 (cela correspond à la différence d'atténuation qui existe entre le faisceau dans l'air et le faisceau atténué par 70 cm de tissu mou). Par ailleurs, les détecteurs doivent présenter les caractéristiques géométriques suivantes : - une largeur suffisante, supérieure ou égale à 20 mm afin de détecter le plus large faisceau de rayons X disponible, - une épaisseur suffisamment petite (de l'ordre de 1 à 2 mm) qui conditionne la largeur du rayon de mesure et donc de la résolution spatiale, - une profondeur (ou longueur) dans le sens de propagation du rayonnement suffisante pour absorber une forte proportion de rayonnement (de 2 à 50 mm, en fonction du type de détecteur). 25 Omar Cherif Lezzar Deux principes sont utilisés: l'effet radio luminescent dans les détecteurs solides et l'ionisation dans les détecteurs à gaz. Les premiers détecteurs (première et deuxième générations) étaient constitués d'un scintillateur couplé à un photomultiplicateur ; cependant leurs caractéristiques physiques et leur encombrement n'étaient pas idéales pour l’application. Par la suite sur les scanners à faisceau en éventail, 2 types de détecteurs ont été utilisés : le détecteur à gaz et celui à semi-conducteur. 5.6.1- Détecteur à gaz : C’est une chambre remplie d'un gaz sous pression (10 à 20 bar de xénon par exemple) dans laquelle des électrodes plates permettent de délimiter des cellules ( 700 à 1000) de mesure. Ces détecteurs se caractérisent par un faible espacement entre les cellules mais aussi par une efficacité de 26 Omar Cherif Lezzar détection limitée ( 70 %). Le xénon est un gaz lourd (A = 131, Z = 54), sa densité est 4,5 fois supérieure à celle de l'air dans les mêmes conditions de température et de pression. Pour augmenter son efficacité de détection on utilise le xénon sous pression de l'ordre de 2,5.105 Pa. La chambre comporte des électrodes de champ et des électrodes de collection des ions. Chaque série d'électrodes forme une cellule et la chambre de détection peut comporter jusqu'à 1000 cellules élémentaires déployées sur un arc de cercle de 45 ou 50 degrés. Les dimensions de ces cellules sont de l'ordre de 1 mm en épaisseur, 30 mm en largeur et 50 mm en profondeur et les cellules sont espacées de 0,2 à 1,2 mm. L'efficacité de détection quantique de l'ordre de 50 à 60 % est fonction de la pression du gaz. 5.6.2- Détecteur à semi conducteur : Ce type de composé détecteur d'un petit est cristal scintillant (tungstate de cadmium par exemple) couplé à une photodiode. Ces détecteurs sont groupés de façon linéaire par plusieurs centaines. Ils se caractérisent par une efficacité de détection élevée (proche de 100 %) et équipent actuellement la majorité des appareils de haut de gamme. Ce type de détecteurs a permis le passage à des dispositifs de détection multi-barrettes. Les rayons X incident pénètre dans le scintillateur on obtient un effet photo-électrique. L’énergie du rayon X sera transmit à l’électron ; ce dernier va être éjecté et l’atome sera en déséquilibre. Les électrons des couches supérieures comblent ce vide pour 27 Omar Cherif Lezzar équilibrer l’atome. Dans ce cas ils vont perdre de l’énergie sous forme de lumière visible. La lumière va être captée par une photodiode ; cette dernière convertie la lumière en un faible courant électrique proportionnelle aux rayons X incidents ; le courant produit sera transcodé en tension qui va être amplifié. Chaque détecteur va absorber des rayons X et les traduit en tension. Les tensions amplifiées qui sont relevées passent par un multiplexeur qui traite chaque donnée à la fois, pour passer à travers un convertisseur analogique numérique. 6-Reconstruction : 6.1-Mémoire : Données brutes : Les données brutes de numérisation de l'acquisition représentent un volume très important, supérieur au volume de l'image reconstruite. Dès que celle-ci est obtenue, elles perdent tout intérêt et sont donc détruites à moins que l'on désire faire une reconstruction différente, champ, filtrage. Chaque image est le résultat de 360 acquisitions angulaires (1 par degré) : - par une barrette de 500 à 1000 détecteurs soit 180 000 à 360 000 valeurs. Un examen peut comprendre jusqu'à 70 images (ou l'équivalent en mode hélicoïdal). Données calculées : L'image calculée utilisable n'est généralement vue qu'une seule fois pour devenir photographique. Il peut être bon de la revoir ; le stockage est assuré pour une période variable selon le moyen : - Disque dur magnétique : un à quelques jours et quelques dizaines d'examens. - Bande magnétique : permanent une dizaine d'examens. - Disquette, quelques coupes, facilement transportable. - Disque opto-numérique : définitif, près d'un millier d'examens. Le processus de reconstruction basé sur des mesures échantillonnées (m ; mesures élémentaires par projection et p ; projections par acquisition soit m x p ; mesures par acquisition) va conduire à une matrice image dont le contenu de chaque pixel 28 Omar Cherif Lezzar (contraction de picture element) représente le coefficient d'atténuation d'un volume élémentaire (voxel) dont la section est égale au pixel (0,5 à 2 mm de côté) et la profondeur est égale à la largeur du faisceau de rayons X traversant le patient (épaisseur de coupe de 1 à 10 mm) La méthode de reconstruction utilisée est celle de la rétroprojection filtrée. L'utilisation d'une simple rétroprojection conduisant à une image floue, il est nécessaire de filtrer les projections avant de les rétro-projeter. La rétroprojection simple conduit à une fonction approchée f'(x, y) telle que : f '(x,y) 1 d(r,θ)dθ 0 La rétroprojection filtrée conduit à une fonction exacte f(x, y) telle que : f(x, y) 1 p(r, θ)dθ 0 où p'(r, q) est obtenu par convolution de p (r, q) avec la fonction filtre s p(r, q) p(r, q) s Principe de la méthode de reconstruction par rétroprojection filtrée : En pratique, une convolution dans le domaine réel est équivalente à une multiplication dans le domaine fréquentiel. Ce processus conduit en fait à une procédure de reconstruction plus rapide. Ce passage est obtenu par utilisation de la 29 Omar Cherif Lezzar transformée de Fourier. Le retour au domaine réel s'effectue par transformée de Fourier inverse. 6.2-Filtrage et correction Un filtrage est obligatoirement associé à la reconstruction. Filtrage de lissage ou spatial destiné à s'adapter au type de structure anatomique étudié. - Plage large de densité supposée homogène comme foie, rate, muscle et un filtre de densité éliminant le bruit à haute fréquence est indispensable. - Structures irrégulières étroites comme vaisseaux, travées osseuses valorisées par un filtre spatial. - Un choix soigneux de filtre est indispensable pour des zones mixtes, os et muscle dans une région articulaire, ou disque et vertèbre sur un rachis. Généralement le choix d'un filtre polyvalent est un moyen sûr d'arriver à la médiocrité d'une image qui ne met en valeur ni l'un ni l'autre composant. - Le choix d'un filtre est influencé par l'épaisseur de coupe : dans une coupe peu épaisse l'influence du bruit, de la fluctuation quantique est majorée. L'élimination de ce bruit passe par un filtre de densité ; l'analyse d'une structure osseuse en coupe fine (1 à 2 mm) est donc parfois supérieure avec un filtre intermédiaire qu'avec un filtre spatial. Filtre de convolution L'hétérogénéité des structures de l'objet conduit à majorer l'influence de zones d'hyperdensité ou d'hypodensité ; cette zone de valeur très différente du voisinage influence les valeurs de reconstruction des zones voisines, en créant une surdensité ou une sous-densité. Un filtre de forme adéquate tend à compenser de manière adaptative. 30 Omar Cherif Lezzar Champ On peut adapter les dimensions de reconstruction aux dimensions de la structure analysée. Un crâne est étudié dans un champ de 220 mm environ, alors qu'un abdomen ou un thorax tient souvent dans 400 mm. Pour les champs les plus réduits, la qualité est limitée par la taille des détecteurs. Si la détection est faite en haute résolution : 700 pixels sur 500 mm (pour un abdomen de 400 mm de large soit une largeur de 0,7 mm par détecteur, la dimension d'un pixel d'un champ réduit à 130 mm n'utilise que moins de 200 détecteurs dont on ne peut attendre une qualité de reconstruction et de résolution trois fois meilleure. Le filtre rampe s a une fonction de reconstruction et de suppression de flou dans l'image. Cependant on profite de cette phase pour modifier le contenu de l'image en fonction de l'application recherchée : renforcement des contours, diminution du bruit, (figure 6). Cette modification est obtenue en multipliant le filtre rampe par un des filtres privilégiant par exemple les hautes fréquences spatiales ou les basses fréquences spatiales (en fonction de l'exploration clinique). Notons qu'en dehors du filtre d'autres paramètres dépendant de l'opérateur influencent l'information contenue dans l'image : ce sont soit des paramètres d'acquisition (haute tension, dimensions du champ exploré, ...) soit des paramètres de reconstruction (taille de la matrice image, zoom, ...). u.a. Figure 6 : A) Filtre rampe intervenant dans le processus de rétroprojection filtrée. B) Filtres complémentaires dépendant de l’exploration clinique. En pratique le filtre utilisé est le produit du filtre rampe avec un de ces filtres. 31 Omar Cherif Lezzar Ainsi le processus de reconstruction est constitué des 4 étapes suivantes : mesure, prétraitement (conversion logarithmique ln (I0/I)), filtrage et rétroprojection. Une fois le processus de rétroprojection terminé, l'image est disponible en mémoire, prête à être visualisée avec un contenu des pixels normalisé selon une échelle de nombres standardisée. En scanographie le paramètre physique à la base du contraste dans l'image est le coefficient linéique d'atténuation µ. Le contenu N S de chaque pixel de l'image est relié aux valeurs de µ par la relation : NS µ tissu µ eau 1000 µ eau Cette relation conduit à une échelle standardisée (échelle d'HOUNSFIELD) utilisée sur tous les scanners. Elle repose sur deux valeurs particulières : -1000 pour l'air et 0 pour l'eau. En pratique elle s'étend au delà de +1000 pour l'os dense. En fait, une dynamique de 12 bits (4096 niveaux), décalée de 1024 vers le bas, est disponible. Cette échelle aussi étendue est nécessaire car les scanners actuels permettent de séparer des tissus dont les µ diffèrent de 0,3 %. Pour observer en détail une image sur l'écran vidéo on ne peut pas visualiser toute la dynamique (4096 niveaux) contenue dans l'image à l'aide de l'échelle de gris généralement disponible (16 niveaux). On est donc conduit à sélectionner une largeur de fenêtre dans laquelle vont s'étaler les niveaux de gris et choisir un niveau moyen correspondant au milieu de la fenêtre. Ces paramètres sont respectivement adaptés au contraste recherché et aux tissus examinés. 6.3-Artefacts scanographiques : Les valeurs Hounsfield calculées peuvent ne pas correspondre à la réalité. Hétérogénéité apparente d'une plage homogène Une zone large et anatomiquement homogène comme le foie ou la rate a une représentation hétérogène bien reconnue en suivant la densité sur pixel par pixel. Ceci est la conséquence de variations aléatoires de reconstruction, et au bruit lié au 32 Omar Cherif Lezzar signal ; ce bruit est d'autant plus important que l'on cherche toujours à réduire la dose d'exposition et le nombre de photons utilisés. Ces variations seront lissées au mieux par un filtre de densité. Volume partiel Le volume correspondant à un Pixel sur une épaisseur de coupe scanographique (10 mm) peut être hétérogène, air sur une partie, tissu mou sur l'autre. La valeur Hounsfield calculée sera donc intermédiaire aux valeurs des deux parties. L'effet de volume partiel est plus marqué lorsque la coupe est épaisse et les milieux en contact très différents. Flou de contours Le volume partiel dû à la limite oblique ou courbe entre deux structures (vaisseaux, travée osseuse) crée un flou bien montré en changeant de fenêtre d'affichage. Ce flou explique les différences de mesure de longueur lorsque l'on change la fenêtre et donc la nécessité d'une rigueur de procédure pour mesurer des valeurs faibles comme épaisseur d'interligne articulaire, calibre de vaisseau. Hyper ou Hypo-densité de voisinage Le foie sur une coupe thoracique présente au voisinage des côtes des variations de densité bien vues sur une fenêtre étroite : - en arrière d'une côte = hypodensité, - face à l'espace intercostal une hyper densité. Cela est dû à un effet excessif du filtre de convolution qui est censé corriger l'effet d'une trop grande différence d'atténuation locale. Ne pas oublier que l'image scanographique est une reconstruction et non pas une vue directe des coupes. 33 Omar Cherif Lezzar Image en étoile Un élément anatomique très dense comme une prothèse orthopédique ou une obturation dentaire présente dans la coupe, apparaît entourée d'opacité en étoile qui peuvent interdire toute analyse lorsque la cause est de grande taille ou proche de la région intéressante. 6.4-Base de donnée 3D : La succession de coupes (en deux dimensions X et Y) parallèles, jointives, chevauchantes ou éventuellement peu séparées fournit des informations dans un espace à trois dimensions (X, Y et Z). De cet espace pourront être tirées des reconstructions dans deux ou trois dimensions. Reconstructions obliques ou courbes Dans l'ensemble de données, en X, Y, Z sont sélectionnés un plan ou une courbe ; la courbe peut passer, par exemple, par les pédicules vertébraux ou une surface articulaire. Reconstructions surfaciques Une valeur de densité est sélectionnée, par exemple le gradient entre peau et air ou os et parties molles. Selon une méthode 3D la surface correspondante est isolée, elle peut alors être manipulée et projetée selon divers angles. 34 Omar Cherif Lezzar Reconstructions volumiques L'ensemble des données est rapporté à un certain nombre de voxels formant un volume total qui peut être alors traité comme un tout et soumis à des sections planes, courbes, de gradients de densité, etc. Cette procédure est beaucoup plus complexe que les précédentes et permet d'associer sur une même vue, volume et section complexe. Imagerie MIP ou par transparence : le volume 3D peut être projeté dans toute direction mais soit en faisant la somme de tous les pixels traversés reproduisant une radio classique, soit en ne retenant que le pixel de plus haute densité (Maximum Intensity Projection) 7-Les dangers sur le corps humain : L’unité de mesure de l’effet biologique de radiations, correspondant à une dose de radiation de 10-5J dans 1g de matière. Les dangers des rayons X pour le corps humain sont beaucoup mieux connus qu’à l’époque de ses premières applications. Le bref passage d’un photon provoque des excitations et des ionisations qui déclenchent une succession de réactions physico-chimiques pouvant aboutir à une modification des fonctions et des structures cellulaires puis tissulaires. L’ADN de la cellule, qui contient le programme génétique, est parfois touché : les molécules de l’ADN sont détériorées. L’effet biologique d’une dose donnée dépend du taux de dose : si le taux est faible ou si la dose est fractionnée, les processus biologiques de réparation peuvent agir et l’effet sera moins marqué que si le taux est grand. Toutes les radiations subies s’ajoutent et se cumulent tout au long de la vie. Les rayons X ont deux types d’effets différents sur l’organisme Les effets dits non-stochastiques (qui ne sont pas le fruit du hasard) se manifestent lorsque la dose reçue atteint ou dépasse une certaine valeur; il existe donc un seuil au-dessous duquel ces effets n’apparaissent pas. 35 Omar Cherif Lezzar Les effets aléatoires (ou stochastiques) ne se manifestent que chez certains individus, apparemment au hasard, d’une population irradiée. Il s’agit notamment de l’apparition de cancers ou de malformations dans la descendance. Il n’existe, semble-t-il, pas de seuil : même de faibles doses peuvent déclencher ces effets. Ils sont tardifs et leur gravité est indépendante de la dose reçue. La fréquence d’apparition des effets aléatoires dépend cependant de la dose. Dans le cas de doses conséquentes, le corps ne parvient plus à remplacer les cellules mortes si bien que le tissu fonctionnel ne peut plus assurer son rôle. Pour une dose supérieure à 100 rems, il est possible que l’intestin ne puisse plus digérer ni eau, ni nutriments, ni même assurer sa défense immunitaire. Cela conduit à des nausées, des diarrhées et une faiblesse générale. Au-delà de ces doses, c’est la destruction du système immunitaire qui a le plus de conséquences : sans assistance médicale, le malade n’a pas plus de 60 jours d’espérance de vie. A 1 000 rems, les dommages vasculaires conduisent à une mort certaine. Pour diminuer au maximum la dose de rayons X reçue et la surface touchée lors d’un scanner, on utilise divers moyens : en prenant des mensurations adéquates, en orientant correctement le faisceau des rayons X vers la région examinée, en réduisant la quantité de rayons secondaires que le patient reçoit, en protégeant au moyen de protecteurs de plomb ("tablier de plomb") certaines régions plus sensibles comme les organes génitaux reproducteurs quand cela est possible. De plus, pour éviter que les organes génitaux ne soient touchés de façon trop importante, le patient est parfois installé sur le dos. En effet, les rayons X doivent traverser beaucoup plus de muscles en pénétrant par le dos que par le ventre. Aujourd'hui ces protecteurs en plomb sont très peut utilisés. IV. Conclusion : L’objectif de notre stage a été atteint par une compréhension détaillée de l’utilisation de l’appareil médicale qu’est le scanner ainsi que ses retombées qui permettent au corps médicale d’explorer les différentes parties internes du corps humain à la recherche d’anomalie ou de maladies qui étaient invisibles jadis. Aussi, un 36 Omar Cherif Lezzar discernement particulier a été porté sur le principe du fonctionnement de cet appareil et de ses composants électroniques. Toutefois, il est à noter que malgré les avantages de l’utilisation de cet appareil sont impressionnants, celui-ci présente des risques de danger sur le corps humains si ce dernier est exposé plusieurs fois aux rayons X de cet appareil. 37 Omar Cherif Lezzar Bibliographie : Devaux. J. Y (2006). L’imagerie en coupes. Doyon. D (2000). Scanner à rayons X : Tomodensitométrie. Masson, Paris. Dujardin. C et Viana. B. Cristaux scintillateurs : Nanocristaux, Films minces, Fibres et massifs. CNRS ; Paris. Evrard. Y, Mouchel. J et strainchamps. D (2004). Les tubes à rayons X. Guinier. A (1984). Les rayons X. Collection « Que sais-je ». Jaspard. L’effet Compton. Kohl. P. Rayons et Fluorescence X. Lisbona. A. Le scanner : Principe, Technologie, Applications. Philippe. C et Bourguet. P. Imagerie par les rayons X et radioprotection. www.med.univ-rennes1.fr Rocchisoni. J.M. La Tomographie ; CHU de Bobigny ; 93. Rousseau. F (2008). Scanner X. Sites : www. Splf.fr /gp/dossier-enpratique/scanner.html www.vulgaris-médical.com/textt/tomodens.html www. La-radiologie.net/scan/scan2.html www.doctissimo.fr/html/santé/imagerie:scanner.htm 38
