Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique Université de Constantine_1 Faculté des sciences de technologie Département d’électronique master2 électronique médicale Rapport de stage sur: Le SCANNER MEDICALE Maitre de stage -ZEHHAF H Réalisé par: -RIBAH ABDERRAOUF

Sommaire Introduction Résume du stage Chapitre 1:Présentation du CHU de Constantine 1-Historique de centre hospitalier universitaire de constantine(CHUC 2-Situation géographique&Service techenique Chapitre 2 :déroulement de stage 1-Historique de scanner 1-1-Première génération 1-2- deuxième génération 1-3-Troisième génération 1-4-Quatrième génération 1-5-cinquième génération 2-technologie

3-Constituants de scanner 3-1-La table de patient 3-2-Le gantry 4-Principe de scanner 5-Les éléments de chaine scanographique 5-1-Tube radio gène(tube a rayons x) 5-1-1-Ampoule de verre 5-1-2-Le plateau anodique 5-1-3-Le moteur d’entrainement du plateau anodique 5-1-4-Création des rayons x 5-1-5-Le gaine du tube 5-2-Collimateur primaire 5-3-L’absorption des rayons x par le tissu humain

5-4-Le statif 5-5-Collimateur secondaire 5-6-Détecteurs 5-7-Le calculateur d’image 5-8-Le répartiteur de puissance 6-Les dangers sur le corps humain Conclusion Binliographie

Remerciement Nous tenons tout d’abord a remercier du fond de nos cœurs M.ABDELHALIM ZEHAF ingénieur de maintenance et notre maitre de stage au CHU qui nous a accueillis chaleureusement dans son service de maintenance d’équipements médicaux de l’hpoital de CONSTANTINE Nos remerciements vont également aux dirigeants du département d’Electronique en particulier le professeur SAHLI et M.AMARI, qui nous permis la concrétisation de ce stage

Résume du stage 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.

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.

1-Historique de centre hospitalier universitaire de constantine(CHUC) C’est un etablissement public a caractere administratif dote de la personnalite morale et de l’autonomie financiere, il est charge en relation avec l’etablissement d’enseignement de formation en science medicale ,des missions:de diagnostic,d’exploitation,de soins,de prevention,de format ion et de recherche

2-Situation géographique&Service techenique Le Centre Hospitalier Universitaire de constantine (CHU) est situe sur le plateau de SIDI M’SID Il est mitoyen de l’ancienne ville Le pont suspendu de SIDI M’SID relie les deux cotes de la ville Localisation du service de technique de radiologie(Atelier)

Photo de l’etablie de l’outillage de maintenance Le service de maintenance qui constitue le support technique essentiel pour le bon fonctionnement de l’hopital est equipe de nombreux outils electriques et mecaniques Un etablie rassemble les different outillage (de la photo) et de caisse a utiles pour assurer la maintenance sur site Il est equipe aussi d’un materiel informatique et de document servant a la gestion de la maintenance

Chapitre2 : Déroulement du stage 1-Historique du scanner : Le principe de la tomodensitométrie repose sur le theoreme de RADON(1917) qui décrit comment il est possible de reconstruire la geometrie 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. 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 EMI-Musical Industries. Le prototype a été réalisé en 1968 et présenté pour la première fois en 1972.

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-Troisieme generation : 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.

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 diffuse

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).

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 detecteurs 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 traversee d’une tranche de corps par rayons X, une seule de ces projections ne suffit pas à reconstituer la stucture 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 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 precis.

L’utilisation de methodes mathématiques complexes necessitant l’emploi d’ordinateurs, conduit par des différents profils à construire l’image de la distribution des coefficients d’attenuation au niveau de la section etudiee. 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 scan 3.1- La Table patient : La table du scanner ou le patient s’installe tout le long de l’examen se deplace verticalement et lateralement (figure ci-dessous). On fait descendre la table automatiquement et on installe le patient confortablement au milieu de celle-ci, ensuite on la fait remonte au niveau adequat, la latitude est contrôlee par une commande et est detectee par un fil qui indique la position exacte et arrive a 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.

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 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

Circuit imprimé du gantry 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 Gauche du gantry : Il est compose de transformateur et de la tige d’inclinaison du gantry. Circuit imprimé du gantry

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. 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 C1 quand la source est en S1) qui tourne en même temps que le tube (de façon synchrone). Quand la source est en S2, le capteur est en C2, 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 traversés auxquelles sont associées des variations de nuances (noir, gris, blanc) ou des couleurs conventionnelles.

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 ou 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. 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.

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 :

5.1.4.1-Le spectre continu : Lorsqu'un électron d'énergie cinétique Ec 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 Ec de l'électron qui poursuit sa trajectoire avec une énergie cinétique plus faible E'c telle que : E’=Ec-hv 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.

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. - 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. 5.4-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.

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 cellule -la dynamique des mesures :quel que soit le type de détecteur utilise -une largeur suffisante, supérieur ou égale a 20 mm

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 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

5.6.2- Détecteur à semi conducteur : Ce type de détecteur est composé d'un petit 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 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.

Le calculateur d’image A partir des données de mesure reçues Il se compose de nombreux microprocesseurs et mémoire montes en séries Il permet ainsi d’examiner l’image sur l’écran juste peu de temps aprés la mesure L’ordinateur de ce commande sert a la commande de l’appareil ;la visualisation et la memoirisation d’image Le calculateur d’image est logé dans un conteneur placé a coté de la console Le répartiteur de puissance Le répartiteur de puissance alimente tout l’installation et énergie électrique Il se presente sous la forme d’un conteneur et sert a la connexion de l’appareil avec le réseau d’alimentation et a sa protection contre les interférences électrique

6-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

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 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. L’imagerie médicale ne cesse d’évoluer dernièrement l’information trés rapide c’est le cas du Scanner qui ce voit passer d’un coupe jusqu’à 128 coupes

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

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