I - Les diverses utilisations des rayons X au sein de l'imagerie médicale

 

A - Les rayons X, définition et techniques de production

 

 

           Les rayons X sont à la fois une forme de rayonnement électromagnétique, se propageant en ligne droite et non déviés par des champs magnétiques et des radiations ionisantes.

          Ils sont caractérisés par une haute fréquence v,  comprise entre 3x1018 et 3x1016 Hz constituée de photons, et par une longueur d’onde λ, comprise entre 0.1 nm et 10nm (soit 10-8 et 10-11  mètre) elle est donc très courte, de l’ordre de l’Angström (10-10 m) et proche des distances-interatomiques.

         Plus la longueur d’onde λ du rayonnement est faible (ce qui implique que la fréquence v soit grande) plus le rayonnement est pénétrant, on parle alors de rayonnement dur, et plus la longueur d’onde λ est grande (ce qui implique une fréquence v faible) plus le rayonnement est fortement absorbé, on parle alors de rayonnement mou.

 

            Les rayons X peuvent être produits de différentes manières :

                        - par triboluminescence, plus précisément par décollement d’un ruban adhésif sous vide, ce qui produira une petite quantité de rayons X.

                     - par accélération, au sens large, c’est-à-dire, le freinage ou changement de trajectoire d’électrons. Avec cette méthode on utilise deux systèmes :

                                  la courbure de la trajectoire des électrons dans des accélérateurs de particules, ce qui correspond au rayonnement électromagnétique dit « synchrotron » : qui est émis par des électrons qui tournent dans un anneau de stockage ou accélérateur circulaire, un synchrotron, qui permet d’accélérer un faisceau de particule ; puis ces électrons modifient régulièrement leur course, leur accélération change régulièrement et lorsque ce changement survient , ils émettent de l’énergie sous forme de photons, le rayonnement couvre alors une très large partie du spectre électromagnétique (des infrarouges aux rayons X).

    Accélérateur de particule

     

     

     

     

      Principe de production des rayons X par accélération avec courbure de trajectoire des électrons dans un accélérateur de particule.

     

     

     

     

                                       ◌ par le freinage des électrons sur une cible dans un tube à rayons X :Tube à rayons X

     Principe de production des rayons X de Bremsstrahlung: tube à rayons X.

      

            C'est la méthode de production des rayons X de Bremsstrahlung, une méthode semblable à celle de Crookes avec le tube de Crookes qui est composé simplement d'une ampoule de verre, une anode et une cathode, cette dernière est simplifiée par rapport à celle de Bremsstrahlung.

    Tube de Crookes  

            

    Tube de Crookes.

    Les électrons circulent en ligne droite de la cathode, sur la gauche, mise en évidence par l'ombre portée de la croix sur la paroi fluorescente, à droite.

     

     

     

     

     

                          En ce qui concerne la méthode de Bremsstrahlung le tube à rayons X émet simultanément, mais indépendamment:

     

                     - un spectre continu : lorsque que l’électron incident, c’est-à-dire, un électron qui tombe sur un corps ou une surface selon un certain angle et qui peut être réfléchi, est dévié par la masse du noyau de l’atome cible, soit un atome de l’anode; cela va créer un photon X dont l'énergie n'est pas déterminée par la nature de l'anode.                                                                         

                      - un spectre de raies caractéristiques : au spectre continu émis par l’anode bombardée par un faisceau d’électrons se superpose un spectre de raies caractéristiques, qui ne dépend pas de la nature de l’anode, c’est-à-dire, de son numéro atomique Z. Lorsque l’électron incident, qui est un électron qui tombe sur un corps, une surface selon un certain angle et qui peut être réfléchi, frappe un électron du cortège électronique de l’atome de l’anode, l’électron cible va être obligé de quitter son orbite. Certains atomes de l’anode vont donc être ionisés. De plus, si celui-ci provient d’une couche interne de l’atome en question, alors les électrons des couches externes auront tendance à se précipiter dans la place vacante. L’électron qui va alors changer d’orbite va perdre de l’énergie qui va être rejetée sous forme d’un proton X car le niveau d’énergie originel sera alors à nouveau occupé par un électron provenant d’une autre couche électronique. Il faut savoir que l’énergie E des photons, en électronvolt, ainsi émis est déterminée, elle est égale à:                      

                     E = h . v = h . c/ λ = W1-W2 

         avec:     h la Constante universelle de Planck (h=6,626.10-34 Joules /seconde)

                       W1 l’énergie initiale de l’électron qui change d’orbite (en électronvolt)

                       W2 l’énergie finale de l’électron qui change d’orbite (en électronvolt)

                       v la fréquence en hertz, qui est égale à c/ λ, soit le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide (c = 3.108 m/s)          et la longueur d’onde dans le vide en mètre.

     

    Ce phénomène est aussi appelé transition électronique. 

    Représentation d'une transition électronique

     

     

     

     

    Représentation d’une transition électronique.

     

     

     

     

     

     

     

     

                    → La technique de production des rayons X de Bremsstrahlung est principalement utilisée dans la médecine où leurs propriétés sont mises au service de l’imagerie médicale.

     

     

    B - L'imagerie médicale

     

     

              La longueur d'onde des rayons X est comprise entre 10-7 m et 10-10 m, elle est donc proche de celle de l'ordre de l'Angström (10-11 m), soit des distances inter-atomiques, ce qui permet le passage du rayonnement à travers la matière. Un rayonnement de plus grande longueur d'onde se trouvera réfléchi par la surface du matériau étudié.

     

                 Les rayons X pénètrent aisément la « matière molle », c’est à dire la matière solide peu dense et constituée d’éléments légers comme le carbone, l’oxygène et l’azote, et sont facilement absorbés par la « matière dure » (matière solide dense constituée d’éléments lourds) ; c’est pourquoi ils sont utilisés dans l’imagerie médicale (radiographie, scanner) : ils traversent la chair et sont arrêtés par les os, mais étant absorbés par l’air, la source de rayons X doit être proche du patient lors d’une radiographie.

     

     

                  Il existe diverses techniques de radiographie:

                              - La radioscopie, désigne la méthode d'examen radiologique qui consiste à placer le sujet entre une source de rayons X et un écran fluorescent sensible à ces rayons. Cette méthode, utilisée dès la découverte des rayons X, pour observer essentiellement les mouvements respiratoires ainsi que les mouvements cardiaques (systole et diastole cardiaque, ouverture et fermeture des valvules); elle est aujourd'hui abandonnée car elle exposait le malade et le médecin à de fortes doses de radiations. De plus, l'image obtenue n'était pas d'excellente qualité et ne permettait de garder aucun document.

    Ancienne salle de radiographie et radioscopie

     

     

    Salle de radiographie et radioscopie dans l'ancien Hôpital Cantonal de Genève au début des années 1920, où l'examen présentait encore un grand risque d'irradiation pour l'examinateur.

     

     

     

               Elle a été remplacée par la radioscopie télévisée, qui utilise des appareils permettant d'améliorer la visibilité et de diminuer considérablement l'irradiation: l'amplificateur de brillance, les fibres optiques spéciales ou la persistance de l'image sur les écrans de contrôle télévisés. Cette technique de radiographie est aussi caractérisée par une visualisation en temps réel sur un écran d'une image pouvant être mobile, comme dans le cadre d'une coronarographie.

    Matériel de radioscopie avec amplificateur de brillance

     

             Matériels de radioscopie avec amplificateur de brillance:

    Matériel de radioscopie avec amplificateur de brillance


    Flèche jaune : tube à rayon X avec anode fixe car la puissance utilisée est faible et la chaleur dégagée  limitée.


     Flèche verte : amplificateur de brillance.

     

     

     

                             - La radiographie fonctionne de la même manière que la radioscopie mais utilise un film photographique et non un écran fluorescent, situé dans une cassette protectrice derrière ou sous le corps exposé.

      Appareil de radiographie conventionnelle de type table télécommandée avec sa console de commande.

    Appareils de radiographie →   Appareil de radiographie avec film

     

     

                   Le film est d'abord impressionné par les photons qui ont traversé la partie du corps examiné, puis il est développé pour être étudié. En fonction de l’organe radiographié, le cliché sera plus ou moins noirci. Ainsi, les structures osseuses, qui absorbent le rayonnement, apparaîtront en blanc et les organes creux comme les poumons, en noir. Néanmoins, la radiographie sur film est généralement réservée aux "tables d'os", soit à l'examen osseux.

    Radio d'un genou de face et de profil 

     

    Radiographie d'un genou gauche, de face et de profil, ayant subi une intervention.

     

     

     

     

     

                      Il existe plusieurs sortes de radiographie :

    Radiographie pulmonaire

              - La radiographie thoracique permet d’obtenir une image du cœur, des poumons, des gros vaisseaux… et ainsi de mettre en évidence les premiers éléments de diagnostic de différentes affections pulmonaires (une tuberculose, une pneumonie…) ou cardiaques.

     

     

    Radiographie pulmonaire :  


     

              - La radiographie des os et des articulations dévoile d’éventuelles lésions (fractures…), déviations osseuses, ou luxations des articulations.

    Radiographie d'un sein droit avec anomalie

     

     

     

              - La mammographie détecte les anomalies dans le sein qui peuvent caractériser un cancer du sein.

     

     

     

              - La radiographie est aussi utilisée en orthopédie.Radiographie panoramique

                            Radiographie panoramique

     

                 Ce sont tous des examens simples, rapides et ne nécessitant généralement aucune préparation. De plus, les progrès considérables accomplis dans la sensibilité des films photographiques, ont permis de diminuer les doses de rayons X délivrées.

                 Cependant les ombres des organes traversées par le faisceau de rayons X sont confondues sur la plaque photographique.

                 C'est pourquoi, la plupart des systèmes d'imagerie médicale proposent désormais une numérisation de l'image réalisée par une transformation des rayons X en électrons via une couche d'iodure de césium (CsI), soit en utilisant un amplificateur de luminance (tube à vide condensant sur un écran secondaire l'image électronique ainsi constituée, cet écran secondaire étant couplé à une optique et à une caméra); soit en utilisant un panneau plat (diodes assurant la conversion directe lisible par circuit électronique).

                 Dans ce dernier cas, l'image générée par les rayons X au niveau de la couche d'iodure de césium est transformée en signaux électriques, qui ont l'avantage de ne présenter aucune distorsion géométrique contrairement aux amplificateurs de luminance qui utilisent des lentilles / miroirs pour focaliser l'image sur le capteur. De plus grâce à un logiciel spécifique il est possible de comparer les images obtenues en temps réel (pas de développement de film) avec des images de références.

    Système utilisant un panneau plat 

     

    Système utilisant un panneau plat

    (prenant alors toutes les applications numériques en charge à haute résolution et à grande vitesse)

     

     

     

     

                  Quant au scanner (ou tomodensitométrie), il est caractérisé par une projection de rayons X sur une tranche du corps humain, à l'aide d'un appareillage complexe, puis les images obtenues sont analysées par ordinateur, qui reconstruit la tranche. Le scanner sert donc à obtenir une représentation anatomique du corps humain en coupes successives ou sous différents angles : il permet ainsi une visualisation «  en profondeur ». Pour ce faire, au lieu d’être fixe, le tube générant les rayons X tourne autour du patient. Il n’y a pas de plaque photographique mais un détecteur : situé en face du tube émetteur de rayons X et tournant en même temps que lui, il mesure l’intensité de sortie du faisceau après qu’il ait traversé l’organisme. Un système informatique traite en quelques secondes les millions de données acquises pendant l’examen et les traduit en images sur un écran imprimé ou sur un film photographique.

     

    Principe de fonctionnement du scanner

     

     

     

     

     

    Schéma représentant le principe de fonctionnement du scanner.

     

     

     

     

     

                   Cet outil a d'abord été exploité pour l'étude des affections ou pathologies cérébrales en différenciant facilement les accidents ischémiques des accidents hémorragiques ou en diagnostiquant les tumeurs. Aujourd'hui, son utilisation a largement dépassé le cadre de la boite crânienne, en explorant l'abdomen supérieur (foie, vessie, prostate...), le rachis (corps vertébraux...), et le thorax (poumons, œsophage...).

                  La technique du scanner permet également de reconstituer une image en trois dimensions. Avec elle, on peut localiser précisément un organe par rapport à un autre et détecter de nombreuses anomalies (kystes, tumeurs, hémorragie ...). Elle peut aussi servir de guide lors des procédures d'intervention (biopsie, drainage).

    Le scanner

     

           Ecran, moniteur de contrôle     Images de radiographie avec scanner

                       Le scanner                                               Moniteur de contrôle                Image obtenue par scanner

     

     

    Image d'une coupe horizontale d'un coprs humain au scanner observé à l'ordinateur

     

     

     

    Image d'une coupe horizontale d'un corps humain au scanner, observé à l'ordinateur.

     

     

     

     

     

     

             La radiologie numérique permet des applications de téléradiologique, où le médecin qui interprète l’examen est à distance du lieu (parfois même dans un autre pays) où est effectué ce dernier.

     

     

              Pour analyser des organes creux, qui seraient difficilement visibles aux rayons X, il faut, avant d'effectuer les clichés radiographiques, les remplir d'une substance opaque, par injection de produits de contraste. C’est le cas pour l’angiographie  (injection d’iode ou de dioxyde de carbone), pour l’imagerie du système digestif (ingestion ou injection de baryte, à base de baryum), pour l’imagerie des articulations, ou arthroscopie (injection d’iode), ou encore pour l’imagerie du système de reproduction de la femme  (méthode d'imagerie appelée hystéroscopie par injection d’iode).

            La réfraction des rayons X ne peut s'effectuer que par des dispositifs extrêmement complexes. L'image radiographique est donc formée uniquement par la projection conique des rayons à partir du foyer, sans utilisation d'un système optique : l'atténuation du rayonnement est en fonction du carré de la distance parcourue entre la source et le film radiographique.

            Les interactions du rayonnement avec les atomes de la matière de l'objet, avec les atomes de l'air (qui séparent l'objet de la source de rayonnement), mais aussi avec les objets environnants, créent de multiples diffusions qui peuvent, dans les cas les plus défavorables dégrader totalement l'image radiographique au point de la rendre inexploitable. La diffusion peut être combattue dans une certaine mesure en limitant la zone irradiée (emploi d'un collimateur), en arrêtant le rayonnement à l'arrière de l'objet par des feuilles de plomb et en filtrant le rayonnement (au moyen de minces plaques de métal: aluminium, fer, cuivre...).

             La netteté de l'image dépend de la distance entre la source, l'objet et le film, de l'épaisseur de l'objet, des dimensions du foyer, et aussi de l'absence de mouvement de l'objet, du film et de la source de rayonnement.

     

    Représentation schématique des paramètres influant sur la netteté de l'image

     

    Représentation schématique des paramètres influant sur la netteté de l'image

     

    Lorsque le film est en contact direct avec l'objet, l'image A'B' est de même grandeur que l'objet (image de gauche).

    L'éloignement de l'objet vers la source de rayons X augmente la taille de l'image (image de droite), mais abaisse sa netteté à cause de l'étendue du foyer (comprise en général entre 0,6 mm au carré et 3 mm au carré), les rayons X issus des points extrêmes du foyer donnent des images éloignées d'un point de l'objet.

    L'image est considérée comme nette lorsque le flou géométrique maximal (l'étendue de la pénombre) est d'environ 0,2 mm.

     

     

    Représentation schématique du flou néglieable par diminution de la taille du foyer

     

     

    Représentation schématique du flou négligeable par diminution de la taille du foyer

     

    La diminution des dimensions du foyer par l'utilisation d'un tube à micro-foyer (typiquement 0,015 mm au carré) rend négligeable le flou géométrique et permet de forts agrandissements directs de l'image.

     

     

     

     

     

     

              Dans l'imagerie médicale il existe un seul autre générateur de rayons X à part le plus courant : le tube à anode tournante, la chaleur est mieux dissipée par la grande surface totale de l'anode se déplaçant à l'emplacement du foyer, ce qui autorise la réduction du temps d'exposition grâce à une plus grande intensité de rayonnement, et permet l'élimination du flou cinétique provenant des mouvements du corps humain.

               Avec le développement de l’informatisation des hôpitaux, la radiographie s’est alliée à l’informatique pour créer de nouveaux systèmes :

              - Radiographie informatisée, ou CR: le film est remplacé dans la cassette par un ERLM (écran radioluminescent à mémoire), c'est-à-dire un écran au phosphore. L’image obtenue est alors activée par un balayage laser et numérisée à l’aide d’un scanner spécial.

     

    Appareils de radiographie informatisée    ← Appareils de radiographie informatisée    

     

     

              - Radiographie numérique directe, ou DR : le film est remplacé par un capteur relié directement à l’ordinateur.

     

    Appareils de radiographie numérique     ← Appareils de radiographie numérique →     Appareils de radiographie numérique

     

              L’utilisation des films se réduit donc dans de nombreux hôpitaux, l’accès aux images sur écran étant plus rapide, plus économique et plus écologique.

     

     

                     Il existe cependant des limites à cette technique :

          - l’image restituée étant une projection en deux dimensions, il faut savoir interpréter l’image obtenue (sauf utilisation de reconstruction 3D).

          - l’impact sur l’organisme existe, qu’il s’agisse de la quantité d’iode injectée le cas échéant (en fonction de l’élimination rénale de l’individu, de l’âge, de l’état de santé du patient), ou qu’il s’agisse de l’exposition aux rayons X en cas de procédure lourde ou répétée, du personnel soignant situé à proximité du patient ou le patient lui-même.

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