Physique pour la médecine

...la théorie!

Radiologie conventionnelle

Chapitre IV: Entre source et   détecteur

IV.C.Accessoires en aval.

1) Grille anti-diffusante.

 

a) Effet de la diffusion sur le contraste.

 

Les fluences sortantes sont une bonne mesure des signaux qui vont impressionner le film, ou le détecteur, de point en point. Si deux régions voisines reçoivent des signaux S et S', le contraste d'image entre ces deux régions est donné par:

 

RadConv IVC_1

 

L'effet Compton génère la diffusion de photons au départ de toute matière atteinte par le faisceau: La plus grande partie provient du corps du patient irradié, mais il en vient aussi du collimateur, de la table, etc… sans oublier les couches d'air traversées ni la rétrodiffusion (photons réémis vers l'arrière) sur les objets situés au delà du détecteur. Tous ces photons ont des directions de propagation assez quelconques. Ils atteignent le détecteur ici et là de façon aléatoire, ce qui provoque l'apparition d'un bruit B assez homogène sur toute la surface, et en définitive l'apparition d'un voile plus ou moins important sur l'image finale.

 

RadConv IVC_2

 

Compte tenu de la constante B qui s'ajoute aux signaux S et S', le contraste devient:

 

 

RadConv IVC 3bis

 

Et donc

 

 

RadConv IVC 4bis

 

…où le dénominateur mesure l'effet du bruit sur le contraste.

La diffusion Compton peut représenter jusqu'à cinq fois le rayonnement direct, ce qui peut bien sûr considérablement détériorer la qualité de l'image. D'où l'importance de réduire autant que possible cette source de bruit. Réduire sa production suppose une bonne collimation du faisceau de façon à limiter le volume irradié au champ de vue souhaité. Réduire l'effet, au niveau du film, du rayonnement diffusé effectivement produit suppose l'utilisation d'une grille anti-diffusante.

 

b) Description de la grille.

 

La grille anti-diffusante se situe entre le patient et le film et ne diminue donc en rien la dose patient. Au contraire, on verra plus loin que, étant donné qu'elle jette un peu d'ombre sur le film, la tendance serait plutôt à augmenter légèrement le courant tube pour gommer la diminution de l'exposition. Elle est faite de lamelles fortement absorbantes séparées par un milieu transparent aux rayons X. Les lamelles sont parallèles entre elles et orientées autant que possible vers le foyer du tube. Les rayons provenant en ligne directe du foyer passeront donc facilement alors que les rayons se propageant dans des directions quelconques auront une probabilité élevée de rencontrer une lame absorbante et d'être éliminés.

 

RadConv IVC_5

 

Les septa (lamelles absorbantes) sont généralement faits de plomb tandis que les fentes sont faites d'aluminium, de carbone ou même de papier. Leur hauteur est de l'ordre de 1,5mm, mais la grille doit être couverte de part et d'autre par de l'aluminium ou de fibres de carbone afin d'assurer une certaine rigidité à la structure, de sorte que son épaisseur totale est typiquement de 3mm. Les septa ont une largeur type de quelques dizaines de microns, contre quelques centaines de microns pour les intervalles.

 

c) Ombre des lames

 

L'ombre des lamelles opaques peut se marquer sur le film par un effet de stries. Si la grille est mise en mouvement de côté au moment du cliché, le déplacement latéral gomme les stries et restitue une image homogène. Le "système Bucky", ou "Potter-Bucky" est un dispositif où la grille est montée sur ressort et lancée au moment du cliché. Très généralisé en radiologie, son usage tend toutefois à reculer au profit de systèmes fixes mais à lames très fines. S'agissant d'éviter le coût du Bucky, le praticien peut aussi s'accomoder d'un léger effet de stries.

 

d) Paramètres.

 

            1° Rapport de grille

 

Si on note H la hauteur des lamelles et D la largeur des intervalles entre les lamelles, le rapport de grille vaut par définition R=H/D

 

 

RadConv IVC 6bis

 

On voit que R définit une valeur limite d'inclinaison des rayons diffusés: Les rayons plus inclinés sont tous arrêtés alors que les rayons moins inclinés ne le sont qu'en partie. Il s'agit ici bien sûr de ce qui se passe dans une dimension puisque les lamelles n'arrêtent pas les rayons appartenant à des plans qui leur sont parallèles. La grille est somme toute une sorte de collimateur uni-dimensionnel.

 

RadConv IVC_7

 

Les grilles standards proposent des rapports de grille compris entre 8 et 12, par exemple R=10 pour H=1,2mm et D=0,12mm. En mammographie R est souvent égal à 5.

 

            2° Le rapport de transmission.

 

Aussi fines soient elles, les lamelles absorbent les photons qui les abordent par la tranche, y compris ceux qui sont bien orientés. Le rapport de transmission T compare l'épaisseur d'un intervalle à l'épaisseur d'une paire intervalle-lamelle.

 

 

RadConv IVC 8bis

 

Exemple: D=0,12mm et d=0,04mm donne T=75%. Ce paramètre mesure le pourcentage de photons appartenant à des plans parallèles aux lamelles et qui sont transmis par la grille.

 

            3° La distance focale.

 

En général, les lamelles présentent une inclinaison croissante du centre de la grille vers le bord. Elles pointent ainsi en principe vers le foyer du tube supposé se trouver à une distance bien définie, la distance focale de la grille. Les valeurs prévues peuvent varier de 1m à 2m selon l'application.

 

RadConv IVC_9

 

Cette caractéristique implique que le système soit monté dans le bon sens. Le côté tube est clairement indiqué sur les grilles amovibles. Une erreur sur ce point se marque par un artefact très visible : Le centre du film est correctement exposé mais une ombre prononcée apparaît sur les bords. Un effet du même type mais moins prononcé apparaît quand la distance de focalisation n'est pas respectée. L'ombre des lames reste normale au centre mais augmente en bord de grille. En radioscopie, où la distance foyer-film est très variable, on tend à réduire l'erreur en adoptant des rapports de grille plus bas.

 

            4° La fréquence de grille.

 

La fréquence de grille est le nombre N de paires lame-intervalle par centimètre. Son inverse 1/N est le pas de la grille , à savoir l'épaisseur d'une paire. Même si cela ne dit rien de l'épaisseur relative de la lamelle et de l'intervalle, une fréquence élevée suppose malgré tout une faible épaisseur de lame, donc un effet d'ombre réduit au niveau du film. Les valeurs rencontrées se situent typiquement entre 40 et 60 paires par centimètre.

 

e) Facteurs de qualité.

 

            1° Le facteur de grille, ou facteur Bucky

 

La grille absorbe une partie des rayons X et donc diminue l'exposition du détecteur. Si on veut retrouver l'exposition qu'on aurait sans la grille, il faut multiplier le courant tube par un nombre qu'on appelle le facteur de grille, ou facteur Bucky. Ce nombre est donc égal au rapport des expositions E et E' obtenues sans la grille et avec la grille.

 

 

RadConv IVC 10bis

 

            2° Sélectivité.

 

On a défini plus haut le rapport de transmission T, à savoir le pourcentage de rayons correctement orientés qui se voit transmis par la grille. Le rapport analogue U pour le rayonnement diffusé est bien sûr inférieur puisque c'est la raison d'être de la grille que d'arrêter plus efficacement le bruit que le signal. La sélectivité de la grille est le rapport T/U. Elle montre donc dans quelle mesure les rayons correctement orientés sont favorisés par rapport au bruit.

 

 

RadConv IVC 11bis

 

            3° Facteur K d'amélioration du contraste.

 

Il s'agit ici de voir dans quelle mesure la grille atteint son objectif premier, à savoir l'amélioration du contraste. Ce paramètre est donc très naturellement donné par le rapport entre les contrastes C' et C avec la grille et sans la grille. Si on appelle S' et B' le signal et le bruit avec grille, et S et B le signal et le bruit sans la grille, la formule obtenue ci-dessus (§1a) donne:

 

 

RadConv IVC 12bis

 

(S+B) mesure l'intensité globale atteignant le détecteur, donc l'exposition. Le rapport S'/S donne la portion de signal transmis par la grille ce qui est la définition de T. Le facteur K d'amélioration du contraste peut donc être vu comme le produit du facteur de grille G par la transmission T.

 

 

K = G T

 

2) Exposeur automatique.

 

a) Principe.

 

Dans les systèmes de faible puissance et à coût réduit, le temps que dure le cliché est un temps d'horloge prédéfini manuellement par l'utilisateur. Un interrupteur électronique agissant soit sur le primaire soit sur le secondaire du transformateur haute tension coupe l'alimentation du tube lorsque le temps est écoulé.

Dans le systèmes plus sophistiqués, la durée du cliché est liée à la dose d'exposition obtenue au niveau du film. L'exposition est un critère plus pertinent que le temps d'horloge puisqu'il prend en compte des paramètres qui influencent l'absorption des photons d'un patient à l'autre pour des clichés analogues, en particulier la corpulence.

L'exposeur est fait de fines cellules de détection situées soit juste avant soit juste derrière le film. Le placer devant le film ne fait pas de problème car le nombre de photons qu'il intercepte est très faible. Le signal obtenu est intégré dans le temps. Lorsque le résultat atteint une valeur prédéfinie, une action de feedback est menée au niveau du générateur pour couper l'alimentation du tube.

 

RadConv IVC_14

   

b) Constitution.

 

Les cellules de détection, ou "posemètres", sont soit des écrans luminescents, soit des chambres d'ionisation.

Dans le cas d'écrans luminescents, typiquement en sulfure de zinc ZnS, les rayons X génèrent une photoluminescence qui est recueillie par des cellules photoélectriques, lesquelles transforment le signal lumineux en signal électrique.

 

RadConv IVC_15

 

S'il s'agit de chambres d'ionisation, les rayons X interagissent en ionisant le gaz, les ions migrent vers des électrodes polarisées situées de part et d'autre. Le dépôt de charge sur les électrodes forme le signal électrique.

 

RadConv IVC_16

 

A la sortie du détecteur, un condensateur accumule les charges reçues. Lorsque la quantité globale dépasse une valeur prédéfinie, l’alimentation du tube est coupée, ce qui constitue un mécanisme simple de régulation de l’exposition. Le système peut aussi agir plus finement au niveau du circuit de chauffage du filament cathode pour réduire le courant tube.

Les cellules sont souvent au nombre de trois, disposées au niveau des régions dominantes dans un certain nombre d’applications types (les poumons et l’abdomen). Elles peuvent être utilisées ensemble ou séparément. Par exemple, l’usage des deux cellules « poumons » lors d’un cliché thorax permet un contrôle du tube adapté à cette région globalement peu dense.

 

RadConv IVC_17

 

c) Niveaux d’automatisme.

 

Un réglage manuel des trois paramètres de base, voltage, courant et temps (réglage « trois points ») ne fait appel à aucun automatisme de la part du système. Les limites de fonctionnement sont définies par les abaques qui indiquent la valeur à ne pas dépasser sur un paramètre lorsqu’on a choisi les deux autres.

Pour un contrôle automatique de la part du système, par exemple la gestion d’un cliché dont on a défini la tension en kV et la charge en mAs (réglage « deux points »), il est fait appel à une courbe préprogrammée de charge décroissante ou courbe de charge unique pour la tension considérée.

 

RadConv IVC_18

 

Le courant tube est placé à une valeur de départ la plus haute possible puis se voit diminué progressivement en s’appuyant sur la courbe. Ainsi, le temps final est vraiment le temps le plus court possible compte tenu de la charge demandée.

 

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Dans un réglage « un point » on ne précise que le seul paramètre kV, mais cela suppose que le système connaisse le type de cliché demandé (thorax,…) et trouve en mémoire les mAs recommandés pour ce cliché, ce qui nous ramène au cas précédent. Somme toute la courbe de charge décroissante ne supprime qu’un degré de liberté. D’une façon ou d’une autre il faudra deux informations pour fixer le tout.