Le Faisceau Rx : propriétés physiques et Lois Géométriques V. Thomson -sous la direction de JBP- Hôpital de la Croix Rousse Lyon vivien.thomson@chu-lyon.fr Janvier 2009

Le tube à rayons X Principe du tube de COOLIDGE : En chauffant un filament par effet JOULE, on provoque l’excitation des électrons et la libération d’un nuage électronique : effet EDISON (ou thermo_ionique) Ces électrons sont ensuite accélérés par une forte différence de potentiel et envoyés sur une anode généralement en tungstène ou en molybdène. L’interaction des électrons avec l’anode entraîne la formation de photons X Les photons X sont canalisés pour former un faisceau. Le tube à rayons X

filtre Tube à anode fixe

Même principe avec anode mobile pour limiter l’échauffement Tube utilisé sur la plupart des appareils de radiographie Tube à anode tournante

Contraintes de l’anode tournante: Supporter des températures élevées 1000-1500°C Supporter des forces mécaniques élevées 3000 – 9000 tours /minute Soit 100 -200 x accélération de la pesanteur en périphérie de l’anode tournante

Définition : Ensemble des photons émis dans une direction donnée par une source extérieure (de petite dimension). Faisceau de rayons X

Faisceau de rayons X Caractérisation énergétique Les rayons X sont des rayonnements électromagnétiques se déplaçant en Ligne droite à la vitesse de 300 000 km/s Le rayonnement X est polychromatique : les photons qui le composent ont des longueurs d'onde différentes. Plus la longueur d'onde est courte (rayonnement « dur ») et plus le rayonnement est pénétrant. Les photons « mous » sont plutôt nocifs car sont absorbés par les couches superficielles et ne participent pas à la formation de l’image. Anode  rayons « durs » : Tungstène Filtres : Fenêtre en Béryllium. Exception pour la mammographie : Anode en molybdène → rayons « mous » Faisceau de rayons X Caractérisation énergétique

Faisceau de rayons X Caractérisation géométrique Foyer de rayon X issu de l’anode assimilé à un point. Formation de R X dans toutes les directions: rectilignes divergents Elimination des Rx indésirables grâce à une gaine plombée autour du tube Issue du rayonnement « utile » par une fenêtre ronde ± diaphragmes La section obtenue du faisceau apparaît donc conique. diaphragme fenêtre Faisceau de rayons X Caractérisation géométrique

On appelle rayon directeur ou axe du faisceau, la droite passant par le foyer et le centre de la fenêtre du tube. La distance focale est la distance qui sépare le foyer du centre directeur Rayon directeur foyer Distance focale Centre directeur

Foyer optique du tube à rayons X En fait, f = f0 sinα f0 : taille du faisceau d’électrons f : taille du foyer optique α : pente d’anode Souvent assimilé à un point, mais Foyer optique du tube à rayons X

Effet talon Le faisceau n’est pas homogène. Lorsque les électrons « frappent » l’anode, des photons sont produits dans toutes les directions, mais le sont en fait préférentiellement en fonction de la pente d’anode, d’autant plus rares que leur axe est proche du α. Effet talon

Formation géométrique de l’image Loi de confusion des plans Lois de la projection conique Agrandissement Déformation-Distorsion 3. Flou de l’image radiologique Flou Géométrique Flou Cinétique Flou de récepteur Flou lié au diffusé Flou total Formation géométrique de l’image

Trinôme fondamental de l’image radiologique Le Foyer Radiogène (Tube) source du faisceau de RX L’Objet radiographié Le Récepteur (film ou électronique) Trinôme fondamental de l’image radiologique

L’image radiologique est formée par la révélation de l’image radiante Elle représente les différences d’atténuation du faisceau de rayon X en fonction des éléments traversés. Cette différence d’atténuation aboutit à la création d’ombres portées qui seront révélées sur le film. Mais un objet en trois dimensions, formé d'éléments situés dans des plans différents, contribuera à la formation d'image sur un film plan à deux dimensions. Il n'est pas possible de reconnaître sur l'image les ombres liées à des éléments situés dans des plans différents. Tous les plans sont confondus dans l'image Confusion des plans

Cette superposition d’images de structures complexes sur un plan unique, produit un enchevêtrement avec des lignes et des surfaces tel que l’identification de divers éléments anatomiques et/ou pathologiques est difficile, voire impossible. Il est donc nécessaire d’employer plusieurs incidences pour dégager les structures à analyser.

Exemple : La Mammographie

Mammographie : Repérage FACE Ext Mammographie : Repérage

Mammographie : Repérage PROFIL Haut Mammographie : Repérage

Repérage dans 2 plans orthogonaux Localisation de la lésion Application tous les jours pour repérer les tumeurs : → biopsie percutanée → exérèse chirurgicale

A la lecture des clichés de mammographie, le radiologue recherche des images évocatrices de cancer (opacités stellaires, microcalcifications, désorganisation). Une image de superposition de glande mammaire normale peut créer une fausse image stellaire.

compression de la glande mammaire cliché complémentaire centré, peut être réalisée à l’aide d’une pelle de grand diamètre. Ceci permet: d’uniformiser l’épaisseur du sein d’éviter tout mouvement. cliché complémentaire centré, Peut être réalisé avec une pelle de plus petit diamètre que la première. Ceci provoque une compression différente: en cas de fausse image stellaire, ce cliché centré entraine un étalement de la glande qui fait disparaître l’image construite, alors qu’en cas de réelle lésion stellaire celle-ci sera encore mieux individualisée.

Mammographie : Cliché de Face ? Mammographie : Cliché de Face

Mammographie : Cliché de Face ! Mammographie : Cliché de Face

L’imagerie en coupe de débarrasse en partie ces problèmes de superposition : En scanner - rayons X, un couple tube / détecteur tourne autour de l’objet puis reconstruit une image en densité des éléments d’une même coupe. Néanmoins, il peut persister un problème de volume partiel.

La dernière génération de scanner est dite « volumique » Elle comporte plusieurs détecteurs juxtaposés qui autorisent une analyse beaucoup plus rapide et plus fine Des algorithmes recalculent la densité des pixels de chaque coupe Les coupes peuvent être empilées pour reconstruire l’image dans un plan différent du plan d’acquisition. Coupe native Reconstruction

2. Lois de projection cônique Agrandissement Le caractère divergent du faisceau de rayons X entraîne un agrandissement de l’image par rapport à l’objet étudié. Toutes les structures situées dans un même plan objet parallèle au récepteur donnent une image identiquement agrandie quelle que soit l’inclinaison du rayon. La surface ou section perpendiculaire au rayon directeur croit proportionnellement au carré de la distance au foyer. Loi de l'inverse du carré de la distance 2. Lois de projection cônique Agrandissement

Coefficient d’agrandissement Le coefficient d’agrandissement (M) est le rapport entre les dimensions linéaires de l’image radiologique et les dimensions correspondantes de l’objet: ce coefficient varie de façon continue pour les différents plans de l’objet en fonction de leur distance au plan du récepteur. le coefficient d’agrandissement M est donné par la formule: A : la distance entre le foyer et le récepteur (film), C: la distance entre le foyer et l’objet M = I/O = A/C = A/ (A-B) (valeur de M comprise entre 1.1 et 1.4 en radiologie standard). Coefficient d’agrandissement

Application pratique : Rachis lombaire de profil La distance foyer-film (A) est voisine de 100 cm sur les installations habituelles . La largeur d'un sujet de trochanter à trochanter vaut 30 à 40 cm. Il est indispensable d'ajouter l'épaisseur de la grille, de l'exposeur, du plateau de table situés entre la zone d'appui et le film ; ainsi le plan des épineuses se trouve à 25 cm du film (A-C). Soit FO = 100 - 25 = 75 cm et Agrandissement = FR/FO soit 100 / 75 = 1,33 L'image du rachis lombaire est donc agrandie de un tiers ; Même pour des zones moins épaisses, le coefficient d'agrandissement varie entre 1,1 et 1,3. La distance objet film n'étant généralement pas connue avec précision, l'agrandissement n'est évalué que de manière imprécise. Ne déduire la taille d’un objet sur l'image qu'avec précautions. Application pratique : Rachis lombaire de profil

Donc, pour agrandir une image, on peut : (1) Rapprocher le tube de l’objet (2) Éloigner l’objet du récepteur tube objet récepteur (1) (2)

Exemple : Cliché agrandis en mammographie En mammographie pour faire de clichés agrandis, on place le sein sur une boîte en plastique vide (“air gap”) qui éloigne le sein du film. Ces clichés sont utiles pour l’analyse fines des microcalcifications mammaires. L’aspect morphologique et la distribution de ces microcalcifications orientent la conduite à tenir: simple surveillance radiologique biopsie ou macrobiopsies biopsie exérèse chirurgicale d’emblée Exemple : Cliché agrandis en mammographie

AIR GAP

Agrandissement différentiel Les objets habituellement radiographiés ont un volume ; tous les points constitutifs ne sont pas situés dans un même plan objet et sont donc à des distances différentes du foyer et du récepteur. Tous les éléments de l'objet ne sont pas agrandis dans les mêmes rapports. Ceci, malgré la confusion des plans, permet de localiser certains éléments de l'objet sur l'image. Par exemple, sur un cliché thoracique de profil les côtes situées contre la plaque (récepteur) seront plus petites sur l’image que celles qui sont à distance de la plaque. On réalise en général un profil gauche (côté gauche contre la plaque) afin de ne pas majorer le volume du cœur et pour qu’il soit moins flou. Agrandissement différentiel

2. Lois de projection cônique Déformation -Distorsion Lorsque le récepteur n'est pas parallèle au plan du film, l'image est déformée par rapport à l'objet : selon les directions respectives l'image est plus grande ou plus petite. 2. Lois de projection cônique Déformation -Distorsion

Si le rayon directeur est perpendiculaire au film: les structures planes et parallèles au plan du film: ne sont pas déformées, elles sont agrandies; les angles et les formes ne changent pas quelque soit la position du foyer. les structures obliques par rapport au film : sont déformées. Si le rayon directeur est perpendiculaire au film:

Si le rayon directeur est oblique par rapport au film : Les structures non parallèles subissent des déformations différentielles plus ou moins importante selon leur orientation. Si le rayon directeur est oblique par rapport au film :

Aussi , pour définir une incidence radiologique, il est nécessaire de préciser : la direction du rayon par rapport à l'objet (incidence) ; angulation dans le référentiel orthogonal (plan sagittal, horizontal et frontal) la position précise du récepteur et de l’objet par rapport au rayon directeur.

Cliché de rachis de profil Utilisation du caractère conique du faisceau pour réaliser des clichés de concavités, fréquentes notamment au niveau rachidien : Intérêt : Aborder tangentiellement des plateaux vertébraux et enfiler correctement les espaces inter-vertébraux Incidence lombaire de face Incidence dorsale de face Incidence C1-C2 de face Incidence L5-S1 de face 2. Lois de projection cônique Utilisation du caractère conique du faisceau

Image ininterprétable Profil droit Plateaux dégagés Image interprétable Profil gauche Plateaux non visibles Image ininterprétable

3. Netteté de l'image : Le Flou Les contours de l'image doivent être nets, c'est-à-dire parfaitement délimités ; une ligne précise sépare les zones opaques sombres et claires. L'absence de netteté est le flou, défaut que l'on s'efforce de réduire. Le flou est en fait inévitable et les phénomènes qui le produisent sont nombreux. 4 causes principales : flou géométrique flou cinétique flou d'écran flou de forme 3. Netteté de l'image : Le Flou

Le foyer géométrique (ou optique), source du rayonnement X n'est pas un point Cette surface d'émission est un carré de 0,6 mm à 1,2 mm de côté sur la majorité des tubes radiogènes actuels ; Ses dimensions peuvent atteindre 2 mm (tube radiogène) ou descendre à 0,1 mm. On reconnaît la formation de l'image d'un foyer sur le bord fin d'un objet opaque. On peut distinguer trois zones de l'image : - La lumière - L’ombre - La pénombre 3.1 Flou géométrique

Flou géométrique: Fg = f x OR OF Ombre : aucun rayon provenant directement du foyer ne touche le film. Lumière : tout point du récepteur est en vue directe de la totalité du foyer ; l'éclairement est maximum. Pénombre : cette zone intermédiaire ne reçoit qu'une partie du rayonnement du foyer ; le passage de l'ombre à la lumière se fait progressivement et la limite entre ces deux zones est indistincte, floue. Si: f est le diamètre du foyer d’émission des rayons X OR est la distance Objet-Récepteur OF est la distance Objet-Foyer La valeur du flou géométrique est donnée par la formule: Flou géométrique: Fg = f x OR OF

(1) réduire les dimensions du Foyer (Fg), Pour réduire le flou géométrique, il suffit donc de : (1) réduire les dimensions du Foyer (Fg), (2) réduire la distance Objet - récepteur (OR), (3) augmenter la distance Foyer - Objet (FO). (1) (2) (3) Flou géométrique minimal = la distance objet - récepteur est minimale. Remarque : C’est tout l’inverse pour l’agrandissement !

Applications numériques et pratiques Radio pulmonaire de face FO = 200 cm. OR = 20 cm, thorax ayant une épaisseur de 30 à 40 cm. Foyer = 2 mm, dimension maximale rencontrée. Fg = 2 mm x ( 200 mm / 1800 mm) = 0.22 mm Un foyer deux fois plus petit réduit le flou géométrique (Fg) de moitié, mais ce bénéfice n'est pas reconnu par l'œil. Poignet de face Le poignet est peu épais (moins de 50 mm) ; même en utilisant un très gros foyer de 2 mm, le Fg reste acceptable avec une distance FR courante. Fg = 2 mm x (50 mm / 950 mm) = 0.11 mm Donc pour le poignet placé sur la cassette un foyer fin est inutile. Applications numériques et pratiques

Applications numériques et pratiques Mammographie Un cliché de mammographie est réalisé avec un foyer de 0,3 mm. Lors de la réalisation de clichés agrandis, à l’aide de l’air gap, pour l’analyse de microcalcifications, il est nécessaire de changer de foyer. Avec ce foyer le cliché agrandi est flou et inexploitable Le cliché agrandi est donc réalisé avec un foyer dit “foyer fin” de 0,1 mm. Tous les mammographes sont appareillés avec ces 2 foyers différents Applications numériques et pratiques

Flou cinétique : Fc = V x t x M Mouvements de l’objet Le flou cinétique est proportionnel au déplacement (d) et à l’agrandissement géométrique ou magnification (M). Or, le déplacement est fonction du temps de pose (t) et de la vitesse de déplacement de l’objet (V) : d = V x t La valeur du flou cinétique de l’objet est ainsi donnée par la formule : Flou cinétique : Fc = V x t x M 3.2. Flou de mouvement

Mouvements du foyer radiogène Il s'agit le plus souvent de: La vibration d'un plateau d'anode voilé d'une vibration de gaine mal contenue par une suspension qui, en vieillissant, a pris un jeu mécanique : L'amplitude de cette vibration autour d'une position moyenne augmente la dimension apparente du foyer. L'effet est donc plus marqué pour un foyer de petites dimensions qui pourrait alors donner des résultats équivalents à un gros foyer. → majoration du flou géométrique 3.2. Flou de mouvement

Mouvement du récepteur Il s'agit là encore de déficiences mécaniques. Exemple: Le temps séparant le lancement de l'anode de la prise de cliché sur une table télécommandée doit être bref (moins de 2 secondes) ; Ce temps comprend non seulement la mise en vitesse de l'anode (9 000 tours) mais le transport d'un tiroir contenant la cassette sur une distance de 50 cm et une immobilisation en fin de course. Si l'on déclenche le deuxième temps de prise de cliché trop tôt, le cliché est pris alors que la cassette est encore en mouvement ou en vibration. 3.2. Flou de mouvement

Radio pulmonaire de face Le mouvement de la paroi cardiaque peut atteindre la vitesse en systole de 200mm/seconde, alors qu'elle peut être immobile à d'autres moments. Dans les conditions géométriques décrites précédemment le flou cinétique est maximal. Fc = Vitesse x Temps x Agrandissement Fc = 200 mm/s x 0,05 s x 1,1 = 11 mm, valeur importante, parfaitement visible ; mais le temps pendant lequel cette vitesse maximale est atteinte est très bref, de sorte que le cliché ne pose problème qu'occasionnellement (un problème de flou, 1 fois sur 10 et si l'on est exigeant). Un temps de pose trop long aggrave la situation, le temps de pose trop bref conduit à des problèmes différents (sous exposition). Radio pulmonaire de face

Rachis lombaire profil debout Le temps de pose avoisine 1 seconde car le faisceau doit passer un épaisseur importante; pour que le flou cinétique ne dépasse pas 1 mm, il est nécessaire que le patient se déplace de moins de 1 mm. On voit l'intérêt d'une bonne immobilisation du bassin ou la nécessité d'un cliché complémentaire couché pour avoir des images fines. Rachis lombaire profil debout

Ce flou est dû à l’épaisseur non négligeable de l’émulsion du film et surtout à celle, nécessaire, des couches luminescentes renforçatrices. La sensibilité du récepteur croît avec la dimension des cristaux, aussi bien du film que des écrans, mais c’est le flou d’écran qui est le plus important. Le flou d’écran est indépendant des autres facteurs géométriques et cinétiques. Toutefois, étant constant, pour des écrans donnés, il affecte moins les objets éloignées du film, agrandis par la projection conique. Il augmente avec l’épaisseur de la couche de cristaux et donc avec la sensibilité des écrans renforçateurs. Il n'est pas possible de donner une formule de ce flou. On peut admettre que le flou approximatif d'un système (Fe) d'écrans normaux est de l'ordre de 0,2 mm ; les écrans dits fins donnent un flou d'écran voisin de 0,15 mm. 3.3. Flou de récepteur

3.4. Flou de forme Loi des tangences Lorsqu’un rayon aborde tangentiellement la surface d’un objet opaque ou la surface séparant deux objets de densités différentes, il donne lieu à une image dite de “ bord”. C’est une condition fondamentale en radiologie qui conditionne l’orientation des clichés et qui permet une analyse sémiologique de l’image. Si l’interface est dans le plan de projection, pas de différenciation Si elle est oblique, transition progressive de densité Si elle est tangente au faisceau, elle apparaît comme une ligne dense 3.4. Flou de forme

Profil droit Profil gauche

Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques Sacro-iliite : Pathologie inflammatoire avec remaniement des berges et de l’interligne articulaire Différents stades : Pseudo-élargissement et flou des berges Irrégularité avec début de pincement Condensation et fusion Nécessité de bien « enfiler » l’interligne pour analyser l’articulation Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques

Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques Axe oblique en avant et en dehors Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques

Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques

Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques

Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques ASP : Abdomen Sans Préparation Incidence antéro-postérieure Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques

Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques ASP : Incidence antéro-postérieure Mauvais cliché pour l’analyse des sacro-iliaques Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques

Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques Incidence postéro-antérieure Bon cliché pour enfiler les interlignes sacro-iliaques Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques

Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques Sacro-iliite stade III, fusion des berges Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques

Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques Ostéose iliaque condensante, interligne normal Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques

Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques Incidence cranio-caudale de Chevrot : interligne antérieur Exemple : Les articulations Sacro-Iliaques

Le bord correspondant à l’interface entre deux structures sera d’autant plus net et contrasté que la différence d’absorption sera plus brutale, avec au maximum apparition d’une ligne opaque ou transparente sur les clichés Il ne s’agit donc pas vraiment d’un artéfact mais plutôt ici d’une caractéristique de l’image lié à l’objet lui-même. Si l’information donnée par l’image ne permet pas une interprétation correcte, il faut réaliser des clichés complémentaire avec des incidences différentes, des réglages optimaux (foyer, film-écran, position). Intérêt aujourd’hui du post- traitement de l’image grâce au numérique. Parfois, on atteint les limites de l’exploration radiologique conventionnelle et il faut avoir recours à un autre type d’imagerie (scanner, échographie,IRM). Signe du Bord

Abord tangentiel, contraste élavé air / liquide → Ligne nette

Eperon graisseux = Signe d’épanchement du coude → Fracture

Signe de la silhouette de Felson Lorsque deux structures de densité identiques sont situées dans deux plans différents et se superposent sur un cliché radiologique, elles conservent leur contours respectifs. Deux structures de densité identique au contact l’une de l’autre ne sont séparées par aucun bord et apparaissent confondues. Signe de la silhouette de Felson

Application de ces lois à l’Interprétation de la radiographie thoracique Visualisation des éléments anatomiques Détection des éléments pathologiques

Les lignes médiastinales

ligne para vertébrale droite Refoulement de la ligne para vertébrale droite SPONDYLODISCITE infectieuse

Bords des masses thoraciques Informations sur le caractère Parenchymateux Pariétal ou pleural de la masse

Mamelon Bord externe net Bord interne flou

3.5 Flou lié au rayonnement diffusé Rayonnement diffusé après interaction avec l’objet partant dans toutes les directions. On va utiliser une grille dont la forme permettra au rayons de passer jusqu’au détecteur, mais seulement selon l’incidence du faisceau 3.5 Flou lié au rayonnement diffusé

On voit la grille sur le cliché ! Asymétrie de clarté droite/gauche ! Malheureusement , la grille anti-diffusante peut elle-même être à l’origine d’un flou lorsqu’il existe des problèmes mécaniques ! On voit la grille sur le cliché ! Asymétrie de clarté droite/gauche !

3.6 Flou total Flou total = ( fg² + fc² + fe² ) ½ Un cliché comporte toutes les causes de flous (géométrique, cinétique, d’écran). Ces divers flous sont liés et il est utile de faire une estimation du flou total (Ft). Ces flous s’additionnent, pour donner un flou total. Il a été démontré par Bowers, en 1929, que cette addition ne se fait pas arithmétiquement mais géométriquement: Flou total = ( fg² + fc² + fe² ) ½ Ceci conduit à une valeur totale plus faible que la simple addition. 3.6 Flou total

Facteurs limitant le flou Pour un adulte coopérant Immobilité en s’appuyant contre la table Ecran moyen donnant une bonne résolution Petit foyer Objet au plus près de l’écran, loin du foyer Pour un sujet peu coopérant qui bouge Employer un gros foyer Elever les kV (diminuer les mAs et le temps d’exposition) quitte à diminuer le contraste Choisir une paire d'écrans rapide Surtout tenter la meilleure immobilisation (sacs de sable, une sangle de contention…) Facteurs limitant le flou

Valeur tolérable du flou La recherche de la meilleure netteté est liée à une plus grande performance des matériels : puissance du foyer radiogène finesse des écrans, etc. Il n'est pas toujours nécessaire de vouloir dépasser certaines performances: l'œil à distance de lecture (50 cm) ne peut distinguer deux points distincts de 0,2 à 0,3 mm, les images les plus fines d'un poumon sont millimétriques, les dispositifs les plus courants obtiennent de tels résultats. Valeur tolérable du flou

Valeur tolérable du flou Utiliser des écrans très fins ou un foyer fin (sauf problème lié au temps de pose court) sur un poumon est inutile. Par contre les écrans fins donnent des images lisibles à la loupe sur les clichés d'extrémités parfaitement immobilisables ou en mammographie. Valeur tolérable du flou

Critères de qualité d’une image radiologique Netteté : l'image doit être nette, sans flou, ses contours sont bien délimités. Contraste : les différences d'intensité dans le noircissement du film permettent de reconnaître les structures que l'on souhaitait étudier. Incidence : l'analyse anatomique impose une comparaison à des clichés pris dans une position définie de référence. Centrage : l'image utile doit se trouver au centre d'un film de dimension minimale. Conformité aux règles de présentation : l'identification du malade, du côté ou des conditions de réalisation obéit à des règles administratives (identité, côté) ou de tradition locale (position de l'étiquette, enveloppe). Critères de qualité d’une image radiologique