Sources de rayonnement en médecine Radiologie diagnostique Production des rayons X et imagerie Jour 6 – Cours 8(2)

Objectifs • Se familiariser avec la technologie et le fonctionnement des tubes et générateurs à rayons X et leur utilisation spécifique en médecine. Comprendre les risques radiologiques spécifiques liés à ces appareils Se familiariser avec les différents types de récepteurs d´image Connaître les avantages et les limitations de chaque type de récepteur

Contenu Description et caractéristiques physiques des tubes et générateurs à rayons X. Principes de fonctionnement. Qualité d´un faisceau de rayons X; tension du tube, filtration totale, première couche de demi-atténuation. Influence de la qualité du faisceau sur la dose reçue par le patient et la qualité de l´image. Défauts de fonctionnement de l´équipement affectant la radioprotection et Contrôle de qualité Description et caractéristiques physiques des films et des écrans renforçateurs. Description et caractéristiques physiques des technologies numériques de formation d´image Défauts de fonctionnement d´équipement affectant la radioprotection

Introduction Equipement à rayons X et accessoires: doivent être certifiés afin d´assurer leur conformité aux normes de la Commission Electro-Technique Internationale (CEI) ou à la norme nationale équivalente. doivent être conçus et construits spécifiquement pour l´activité d´imagerie médicale prévue. doivent indiquer dans le panneau de commande tous les paramètres importants jouant sur la qualité de l´image et la dose administrée au patient. Important parameters include kVp, mA and exposure time (or mAs). Where radiographic exposures are controlled by an automatic exposure device, the exposure delivered (in mAs) should also be displayed. For fluoroscopic equipment, the accumulated fluoroscopic exposure time should be displayed and include an audible warning to the operator when a pre-determined time has been reached. The selection of “high dose rate” mode for fluoroscopy should be clearly displayed. (Ideally, the system should default to “normal” if the equipment is switched off and if unused for some specified time. This minimizes the risk of the “high dose” setting being accidentally used on subsequent patients.)

Génération des rayons X Trois éléments de base sont nécessaires pour la génération des rayons X : une source d´électrons; un filament en tungstène (cathode); une cible en métal (anode); un champ électrique élevé (kilovolts) pour accélérer les électrons entre la source et la cible; Le cathode et l´anode sont dans un tube radiogène sous vide (le tube à rayons X). Un générateur de haute tension fournit le potentiel accélérateur nécessaire pour précipiter les électrons (libérés dans le filament) sur l´anode.

Tube à rayons X à anode stationnaire Génération des rayons X (suite) “Stationary” in comparison to a “rotating” anode x-ray tube. Typical of early x-ray tubes but can have severe limitations on loading (and therefore on radiation output) due to the heat generated during exposures Tube à rayons X à anode stationnaire

Génération des rayons X (suite) Prescriptions spécifiques pour les tubes à rayons X : un foyer aussi petit que possible; un courant de filament (et donc d´électrons) suffisant pour minimiser les temps d´exposition; une méthode efficace pour absorber la chaleur produite dans la cible (anode); une anode de matériau, surface et orientation appropriés; le choix entre l´anode tournante ou fixe; plus d´un filament (pour différentes tailles de foyers) The detail in a radiographic image largely depends on geometry. i.e. a physically small source of x-rays (the focal spot), moderately large distances to the patient (e g 100 cm) with patient-image receptor distances as small as possible. The higher the filament current (amps), the higher the tube current (milliamps) and the greater the radiation output of the x-ray tube. Short exposure times are necessary to minimise blurring of the image due to patient movement. (Movement of the x-ray tube will also cause blurring but for general radiography the tube should be rigidly supported and stationary). Compare with tomography where the x-ray tube and image receptor move. The anode may be made of different materials. For general radiography tungsten is commonly used. However, for mammography where specific, low energy photons are necessary, Molybdenum and/or Rhodium is used. Rotating anodes are required for most general purpose radiography so that high tube currents can be utilized. Unless specially cooled, stationary anode x-ray tubes generally have significant power limitations (e.g. less than 100 mA) and because of the longer exposure times may only be suitable for simple x-ray examinations such as of the chest and extremities.

Génération des rayons X (suite) Tube de rayons X à anode tournante

Energies des photons (keV) Eliminés par filtration Génération des rayons X (suite) Bremsstrahlung Caractéristique kV max. Nombre de photons Energies des photons (keV) Eliminés par filtration Le rayonnement de freinage généré dans le tube à rayons X a un spectre énergétique continu. Ses propriétés dépendent du matériel de l´anode, de la tension maximale et de la filtration du tube. Ce rayonnement se produit dans toutes les directions à partir de l´anode.

Génération des rayons X (suite) Tube à rayons X (enveloppe protectrice, gaine, et collimateur) L´enveloppe protectrice du tube a une ouverture (fenêtre) pour permettre au faisceau utile de rayons X d´émerger, et pour limiter le rayonnement non désiré. Le rayonnement de fuite par l´enveloppe doit être minimisé conformément aux normes. L´enveloppe protectrice contient également de l´huile pour une isolation électrique et pour la dissipation thermique. Collimateur du faisceau Câbles d´haute tension Enveloppe protectrice du tube

Génération des rayons X (suite) Enveloppe protectrice et collimateur du tube à rayons X Le faisceau utile de rayonnements est dirigé vers le patient, habituellement par un collimateur réglable, qui permet à l´opérateur de contrôler la taille et la forme du faisceau de rayons X. La localisation, la taille et la forme du faisceau sont d´habitude (mais pas toujours) définis par un faisceau lumineux, d´où la description de collimateur du faisceau lumineux.

Génération des rayons X (suite) Générateurs Les générateurs à rayons X fournissent le courant au filament (la source d´électrons) et la haute tension nécessaire pour accélérer les électrons de la cathode vers l´anode. Cependant, quelques équipements mobiles à rayons X peuvent utiliser un condensateur (typiquement 1 µF) pour stocker l´énergie électrique nécessaire.

Génération des rayons X (suite) Générateurs Divers types de générateurs sont utilisés en radiologie diagnostique - monophasés, triphasés ou haute fréquence, chacun produisant différentes formes d´onde caractéristiques. Néanmoins, ils doivent assurer une haute tension précise et consistante, ainsi qu´un faisceau de rayonnements stable. La plupart des générateurs modernes sont contrôlés par microprocesseur avec un redresseur à haute fréquence (produisant un tension sans ondulation)

Génération des rayons X (suite) Générateurs Les générateurs à rayons X sont classés en fonction de la tension et de la puissance maximale qu´ils peuvent fournir. Le courant maximum qu´un générateur (et un tube à rayons X) peut supporter change avec la tension à laquelle il fonctionne. dans les applications médicales, les générateurs fonctionnent à des tensions maximales élevées variant de 25 à 150 kV (selon l´application), avec le courant approprié (p.e. 300 mA à 100 kV de tension maximale). les générateurs sont équipés de circuits qui peuvent contrôler exactement le temps d´exposition, s´étendant généralement entre quelques millisecondes et plusieurs secondes.

Energie des photons (keV) Filtration Une partie importante du spectre de rayons X émis par l´anode est composée par de basses énergies, qui sont absorbées par le corps humain et n’atteignent pas le récepteur d´image. Une filtration appropriée enlève les photons de basse énergie avant qu´ils n´atteignent le patient. Bremsstrahlung Caractéristique kV max Nombre de photons Energie des photons (keV) Removed by filtration Enlevée par la filtration

Filtration (suite) La filtration est dûe aux propres composantes du tube (c.à.d. verre, huile de refroidissement et fenêtre de la gaine) qui sont traversées par le faisceau avant de sortir de celui-ci. C´est ce que l´on appelle la filtration inhérente. La filtration additionnelle quant à elle est utilisée pour modifier davantage le spectre. L´aluminium est habituellement utilisé, mais s´agissant de buts spéciaux on peut inclure du cuivre, du molybdène, du hafnium, etc. Le miroir dans le collimateur du faisceau lumineux agit aussi généralement comme un filtre. La combinaison de la filtration inhérente et de la filtration additionnelle constituent la filtration totale, qui est exprimée en termes de millimètres équivalents d´aluminium.

Filtration (suite) La qualité du faisceau de rayons X émergeant ( et donc son pouvoir de pénétration) dépend: de la tension appliquée au tube (kV max.); de la filtration totale; du matériel de l´anode (mais ceci n`est pas sous le contrôle de l´opérateur). La qualité est caractérisée par: la première couche de demi-atténuation (CDA) qui est habituellement mesurée en millimètres d´aluminium.

Filtration (suite) Filtres Chambre d´ionisation Couche de demi-atténuation (CDA) Chambre d´ionisation Filtres La CDA est l´épaisseur du matériel qui atténue le rendement (débit de kerma dans l´air) d´un faisceau de rayons X collimaté, de 50%. Elle est mesurée dans des conditions qui réduisent au minimum le rayonnement diffusé.

Quelques défauts de fonctionnement qui peuvent compromettre la sûreté Fuite de rayonnements excessive à travers la gaine et le collimateur; Inexactitude et inconsistance de la tension du tube; Inexactitude et inconsistance du temporisateur, du courant et mAs; Inconsistance du rendement du faisceau; Filtration incorrecte ou inadéquate; Mauvaise coïncidence entre le champ lumineux et le champ de rayonnements; Pour l´équipement à condensateur de décharge, rayonnement de fuite excessif (dans la direction du faisceau utile) quand le condensateur est complètement chargé (sans avoir déclenché l´exposition). Excessive radiation leakage (in the direction of the useful x-ray beam) when capacitor discharge x-ray equipment is fully charged (but before the exposure is made); The high voltage in a capacitor discharge unit , although stored in a capacitor (e.g. 1µF) is simultaneously applied across the high tension cables and the x-ray tube. Electron flow is prevented by a voltage biased grid positioned between the cathode and anode. This voltage is dropped when the exposure is initiated. However, if the bias voltage is too low, electrons will pass from the cathode to the anode and generate x-rays even though the exposure may not have been initiated. In modern CD equipment, a lead shutter is fitted outside the x-ray tube assembly as a safeguard to prevent avoidable exposure of the patient and operator when the capacitor is charged. The shutter is removed when the exposure is initiated. However, some early CD equipment did not have a lead shutter and, if the bias voltage is incorrect, high exposure rates (emitted in the direction of the useful x-ray beam) can occur.

Formation de l´image de rayons X

Principes Les photons de rayons X transmis par les structures examinées comportent “l´image de rayons X (ou radiologique)”. Les photons sont alors convertis en image visuelle par interaction avec un détecteur approprié (récepteur d´image) The Fundamentals of Radiography. Kodak

Récepteur d’image Un récepteur d´image est un dispositif qui convertit les “ombres portées” par les rayons X dans une image. L´image peut être visualisée directement (par un imageur dynamique tel que la fluoroscopie), enregistrée sur un film radiologique ou sur un dispositif d´impression, ou convertie au format électronique pour un traitement numérique. Cette conversion peut être effectuée par différentes méthodes, que ce soit séparément ou par le biais de combinaison : X-ray film is used alone for some procedures e.g. intraoral dental radiography. In such cases, the efficiency of converting x-ray photons to an image largely depends on the amount of silver halide in the emulsion of the x-ray film. This efficiency is reflected in the different speed groupings of intraoral film (i.e. ‘D’, ‘E’ and ‘F’ speed film, each roughly twice the speed of the previous film). i.e. the image is the result of the film being directly exposed to x-rays. Film used with intensifying screens is manufactured to be sensitive to the wavelength of the light emitted by the intensifying screens. Such film should never be used without intensifying screens. technologie de film radiographique et écran renforçateur amplificateurs de luminance et amplificateurs électroniques d´image technologie de formation d´image numérique par ordinateur

Récepteur d´image (suite) Films radiographiques et écrans renforçateurs La radiographie avec des films et des écrans renforçateurs comme récepteur d´image (dans des cassettes serrées et légères) reste la modalité la plus commune pour enregistrer les images des rayons X. Cependant, l´émulsion sensible sur le film radiographique n´est pas suffisamment sensible à l´exposition directe aux rayons X. Par conséquent, excepté dans la radiographie dentaire intraorale, des écrans renforçateurs sont utilisés pour convertir l´énergie des rayons X en lumière (bleue, verte, UV).

Récepteur d´image (suite) Films radiographiques et écrans renforçateurs Le film exposé (portant l´image latente) est alors traité chimiquement pour créer une image visible. Le développement peut être manuel ou automatique. La sensibilité (ou la vitesse) d´un film ou d´un système film-écran est la réciproque de la dose de rayonnements nécessaire pour une densité optique donnée sur le film. Density (D) = - log (transmitted light intensity / incident light intensity). e.g. film which transmits 1/100th of the incident light has a density of 2; 1/1000th a density of 3, etc. The density of unexposed but processed film (base density) may be around 0.16-0.20. The density of an exposed, processed radiographic image will range from the base density to a density of 2.0 or more.

Technologie numérique d´imagerie Des méthodes numériques de traitement et de représentation d´image obtenues par rayons X ont été présentées pour la première fois avec l´arrivée de la tomographie par ordinateur (CT) en 1972. Les avances continues en informatique ont favorisé le développement général de l´acquisition de l´image en forme numérique (cameras CCD), principalement par des amplificateurs d´image (fluoroscopie numérique) ou des écrans à mémoire (radiographie numérique). D´autres systèmes de détection tels que la technologie à ‘panneau plat’ pour la radiographie numérique directe ou indirecte sont maintenant disponibles dans l´équipement de radiologie générale.

Technologie numérique d´imagerie La technique d´angiographie par soustraction numérique (DSA), basée sur un traitement numérique d´image, permet la visualisation des vaisseaux sanguins par soustraction électronique des parties non désirées de l´image.

Technologie numérique d´imagerie (suite) Actuellement, il n´existe aucun consensus sur la meilleure technologie applicable pour équilibrer dose et qualité d´image. L´imagerie numérique peut fournir des doses potentiellement inférieures à la méthode film-écran renforçateur. Cependant, concernant la manipulation de données après une exposition, on peut obtenir des images diagnostiques satisfaisantes même lorsque des doses élevées et inutiles ont été délivrées au patient. Des procédures appropriées d´assurance de la qualité sont essentielles.

Caractéristiques principales d´un récepteur d´image La sélection d´un système d´imagerie devrait impliquer une évaluation et une analyse complètes de ses caractéristiques ainsi que de l´environnement technique et humain dans lequel le système sera utilisé. Les caractéristiques principales à considérer pour le choix d´un récepteur d´image sont: résolution spatiale; résolution de contraste; efficacité de dose; Fonction de Transfert de Modulation; taille du détecteur; possibilité de stockage et de transfert des images; et des qualités telles que le poids, la robustesse, l´accès rapide á l´image, etc.

Caractéristiques principales d´un récepteur d´image (suite) Résolution spatiale: indique la dimension minimale du détail visible Résolution de contraste: détermine la taille du détail visible lorsqu´il y a seulement une petite différence en densité relative avec les zones voisines. Mesure l´aptitude à distinguer de petites différences d´exposition.

Caractéristiques principales d´un récepteur d´image (suite) Efficacité de dose: quantité qui mesure l´équilibre entre la dose de rayonnements absorbée par le récepteur (et par le patient) et la qualité de l´image résultante. Fonction de Transfert de Modulation(MTF): c´est la mesure de l´aptitude d´un système d´imagerie à restituer le contraste pour différentes fréquences spatiales.

Fluoroscopie : imagerie dynamique (en temps réel) L´énergie des rayons X est convertie en rayonnement électromagnétique visible ou proche de la gamme visible, à l´aide d´écrans luminescents (fluorescents). La visualisation directe d´une image sur un écran fluorescent à l´œil nu ne doit pas être autorisée. Des débits de dose plus élevés peuvent être nécessaires, en particulier si l´utilisateur ne s’adapte pas correctement à l´obscurité. Aujourd´hui La fluoroscopie ne doit être effectuée qu´avec un tube amplificateur d´image.

Fluoroscopie : imagerie dynamique (en temps réel) (suite) Les tubes amplificateurs de lumière, en combinaison avec une caméra de télévision sont les systèmes d´amplification d´image les plus utilisés. Photocathode Ecran primaire Tube sous vide Electrons Moniteur de TV Electrodes de foc. Ecran secondaire Lumière Camera de ciné Miroir Caméra de TV

Problèmes qui peuvent affecter la protection radiologique Film-écran renforçateur Stockage insatisfaisant du film (produisant des films voilés); des cassettes ou des écrans renforçateurs endommagés. Sources de lumière á l´intérieur, ou de la lumière pénétrant vers l´intérieur de la chambre noire. Passe-cassette ou récipient de stockage non fourni ou incorrectement protégé. Chimie de la développeuse inappropriée (p.e. mauvais type, dilution et/ou remplissage non appropriés, mauvaise température) Note: La ventilation est aussi un problème important de sûreté

Problèmes qui peuvent affecter la protection radiologique Technologie film-écran Non respect des procédures temps-température de développement, proposées par le fabricant (développement manuel) ou entretien non approprié de la développeuse. Systèmes de fluoroscopie et d´imagerie numérique Fluoroscopie directe (écran fluorescent inefficace) Fluoroscopie avec amplificateur d´image (efficacité basse, résolution et contraste de la chaîne de TV pauvres)