Historique :TIPE 2000-2001
Le scanner médical ou la tomodensitométrie.
La tomodensitométrie X est une technique non destructive qui permet la reconstitution d’images " en coupe " d’un objet à trois dimensions à partir de faisceau à rayons X.
Historique :
Alors que la radiologie classique superpose les traces des organes sur le film, le scanner " sépare ", par traitement informatique, les différents éléments de l’objet étudié.
Les avantages sont alors : facilité d’utilisation , possibilité de fenêtrage(cf. Visualisation), meilleure lisibilité de l’image. Cependant, le coût reste élevé, les infrastructures annexes complexes, et des protocoles non figés.
Quand
un faisceau parallèle de rayons X monochromatiques
d’intensité I0 à incidence
normale, traverse une quantité de matière
d’épaisseur x, la loi de Beer nous donne l’intensité
transmise par la formule
Avec m coefficient linéaire d’absorption.
On peut en déduire
Si le faisceau traverse un corps hétérogène, constitué de structures de densités différentes, son atténuation pour chacune des direction sera égale à la somme des atténuations élémentaires subi par le faisceau.
L’acquisition des données se fait grâce à un tube à rayon X couplé à un ensemble de détecteurs. Quelque soit la génération du scanner, le faisceau émis par le tube 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 a (par rapport à une référence fixe).
Lorsque le faisceau tourne autour de l’objet, on obtient une grande quantité de projections et de mesures, dans le plan de référence avec différents angles de projection. L’ensemble de tous ces profils de densité obtenus s ‘appelle un " sinogramme ".
Principe technologique des scanners.
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Temps d’acquisition |
Nombre de détecteurs |
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1ère génération |
20 à 60 sec |
2 |
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2ème génération |
10 à 20 sec |
2 |
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3ème génération |
Moins d’1 sec |
300 à 1000 |
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4ème génération |
2000 à 4800 |
La génération la plus répandue est la 3ème génération
Générateur à rayons X : Tube à rayon X à anode tournante produisant des photons X à énergie allant de 80 à 130 KeV.
Détecteurs à rayons X : scintillateur (iodure de sodium) ou chambre d’ionisation au xénon.
Reconstitution : Principe mathématique
Le volume étudié
est décomposé en petits volumes élémentaires (voxels)
disposés selon une matrice. L’image matricielle est décomposée
en images élémentaires (pixels), disposées selon une matrice
définie. Actuellement, les matrices sont de 512 x
512.
On pourrait à partir de cette matrice résoudre le système permettant de déterminer les coefficients d’absorption de chaque voxel mais la méthode est trop coûteuse en temps de calcul (matrice 512 x 512 => 262 144 équations à autant d’inconnues !).
Il consiste à projeter les valeurs numériques obtenues sur le plan image, en leur attribuant des coordonnées spatiales correspondantes à celles qu’elles avaient dans le plan de coupe examiné (utiliser l’image de la tache d’encre !).
(a) Le point de départ concerne les profils de densité obtenus avec différents angles d’éclairement.
(b) On suppose que le profil observé vers la gauche correspond à des absorptions uniformément distribuées sur des bandes horizontales alors qu’en (c) le profil obtenu vers le bas est supposé correspondre à des absorptions uniformément réparties sur des bandes verticales.
(d) En procédant de même pour les profils obtenus avec les autres projections, on obtient une image de l’objet par rétro projection
L’intérêt est d’améliorer la qualité de l’objet reconstruit, pour le rapprocher du modèle initial. Ces opérations ne peuvent être obtenues que par des ordinateurs. La reconstruction proprement dite s’effectue par la méthode de la transformée de Radon ou de Fourier.
(utiliser l’image du caillou dont l’image est une étoile par rétro projection !).
La déconvolution (algorithme mathématique) permet de retrouver ces " étoiles " et de les remplacer par des points.
L’image finale obtenue est encore représentée par une matrice de nombre dans l’ordinateur, et il convient de la transformer en image interprétable.
Les nombres se trouvant dans l’ordinateur sont arbitraires. On sait simplement que les nombres sont d’autant plus élevés qu’ils correspondent à des structures plus atténuantes. C’est pourquoi Hounsfield a proposé une échelle, graduée en unité Hounsfield (UH), permettant de situer les niveaux d’atténuation par rapport aux tissus les plus caractéristiques : l’eau, l’air, l’os. Par convention, UHeau = 0, UHair = -1 000, UHos = +1 000. Les autres UH sont donnés par l’expression
L’impossibilité de représenter et d’analyser simultanément 2 000 niveaux d’absorption conduit à étudier l’information par tranches. On se limite alors à une plage de densité, appelée " fenêtre ".
Pour la restitution sur écran, puis film, on utilise les 16 niveaux de gris (couleur où l’œil distingue le mieux les contrastes). Pour une fenêtre, on définie le " niveau " et la " largeur ". Le niveau détermine le nombre correspondant au gris central et la largeur permet de définir l’écart des nombres pour aller du blanc au noir.
La possibilité de faire varier le contraste à partir d’une même acquisition représente un progrès supplémentaire par rapport à ola radiographie conventionnelle.
Tube à RX, tube de Crookes
Sous l’action de la ddp (réglable), les électrons accélèrent et heurtent l’anticathode de tungstène, générant un rayonnement de freinage de toutes longueurs d’onde. Seuls les rayons X peuvent traverser l’anticathode est sortir du tube.
Physiquement,
on remarque que l’énergie de l’onde (E = h.n)
est égale à e. V (e = charge de l’électron,
V = ddp). D’où
Remarque sur les paramètres des rayons X ; grâce à ce type de tube, on peut :
Remarque : en pratique, V » 60kV à 200 kV et l » 0.06 à 0.2 Å
La chambre d’ionisation au Xénon.
Si la ddp entre les deux plaques est suffisante, tous les électrons éjectés hors des atomes ionisés sont collectés par la plaque et le courant créé, dit d’ionisation, est de l’ordre de 10- 8 à 10- 12 A.
Le " bruit " est un artefact de l’image induit par 2 composantes :
Rapport signal/bruit varie selon :
Traversée de la matière : effet Compton, etc.…
A redémontrer : pénétration d’une onde dans un corps en fonction de sa longueur d’onde.
Lorsque l ‘énergie d’un photon (E= ln ) est plus grande que l’énergie de liaison des électrons vis à vis du noyau, l’électron peut être éjecté de son orbite, produisant un cation (l’énergie de liaison des électrons est de l’ordre de 10 eV) ; on parle alors de radiation ionisante.
2 types de perdition d’énergie :
Spatiale
Fait la différence entre deux corps très proches, permet de bien voir les contours.
Nécessite une coupe fine, et donc une augmentation du signal pour réduire le bruit.
Utilisation d’un filtre de reconstruction en DSp.
Visualisation sur une fenêtre large.
Densité
Fait la différence entre deux corps de densité voisines, les contour pouvant être flous.
Nécessite une coupe épaisse, et un filtre RDs.
Visualisation sur une fenêtre étroite.
Précision de l’image
Les constructeurs prétendent que des écarts de l’ordre du centième voire du millième sont décelables. La résolution spatiale se situe dans la gamme 0.2 à 0.5 mm.
Le corps contient en grande majorité de l’eau. Or, l’ionisation de l’eau produit des radicaux libres (OH- , H+, e- ) qui interagissent rapidement avec les molécules voisines ; notamment les protéines pour donner des lésions irréversibles. Le taux de lésion est très faible, moins de 1 000 lésions par Gy et par cellule.
La recommandation actuelle pour l’exposition de la population est de 0.0017 Gy par ans.
En moyenne, l’irradiation médicale s’évalue à 0.0008 Gy, bien en dessous du seuil de tolérance (l’irradiation naturelle est de 0.002 Gy par an !).
Pour réduire l’absorption inutile de rayons X par le corps, on place un filtre d’absorption des photons de basses énergie, ceux qui sont totalement absorbés par la peau. De plus, l’emploi d’un collimation (grille en plomb) réduit le rayonnement inutile car " extérieur " au corps.