Physique pour la médecine

...la théorie!

Radiologie conventionnelle

Chapitre V: Détection   analogique.

V.C. L'amplificateur de luminance.

Comme le film radiologique, l'amplificateur a pour rôle de transformer en image visible l'image radiante véhiculée par le faisceau X. Contrairement au film il permet l'observation radiologique en continu et en temps réel, ce qui en a fait longtemps l'outil indispensable en radioscopie. Il garde toute son actualité même si aujourd'hui il recule lui aussi devant les progrès des techniques numériques.

La technique décrite ici se voit souvent associé le terme de fluoroscopie.

 

1)La fenêtre d'entrée.

 

La paroi est faite de verre épais à l'exception de la fenêtre d'entrée, formée d'un écran métallique de faible épaisseur et collé sur les bords de manière hermétique. Dans le volume intérieur, on a imposé un vide poussé. La fenêtre d'entrée offre une surface plane de 20 à 30cm de diamètre. Elle est couverte sur sa face interne d'un dépôt fluorescent puis d'une couche photosensible dite photocathode. Le premier dépôt est formé de petits grains de sulfure de zinc ZnS dont les propriétés fluorescentes sont bien connues. La photocathode est faite le plus souvent de CsSn comme pour les photomultiplicateurs. Les rayons X incidents interagissent avec le sulfure de zinc et provoquent l'émission de photons lumineux. Par effet photoélectrique, ceux-ci sont absorbés par les électrons de la photocathode qui se voient éjectés vers l'intérieur du tube.

 

RadConv VC_1

 

 

2)Les électrodes.

 

Une forte différence de potentiel, typiquement de 30kV est imposée entre la cathode et une anode beaucoup plus petite, de 2 à 3cm de diamètre, située au fond du tube. Les électrons sont ainsi violemment accélérés d'un point à l'autre.

 

RadConv VC_2

 

Des électrodes intermédiaires sont disposées latéralement. Polarisées négativement, elles tendent à repousser les électrons divergents. Le jeu des potentiels est étudié pour guider les trajectoires de façon telle qu'il y ait une correspondance un à un entre un point d'émission de la cathode et un point d'impact à l'anode. Ceci est évidemment important pour obtenir en définitive une reconstruction de l'image. En cela l'ampli de luminance peut être vu comme un instrument d'optique électronique. Il s'apparente à une lentille qui d'un objet étendu reconstruirait une image réelle mais de taille réduite. Il peut d'ailleurs être complété par des électrodes de changement de focale situées plutôt à l'arrière du tube et qui polarisées positivement permettent de dilater le faisceau à l'impact. L'effet au niveau de l'anode est un zoom sur une portion de l'image.

Quand ils heurtent l'anode les électrons génèrent des photons de fluorescence. Eux-mêmes générés par un signal lumineux à la cathode, ils restituent donc à l'anode un signal de même nature lumineuse mais beaucoup plus intense, ce qui justifie le nom d'amplifcateur de luminance.

 

RadConv VC_3

 

3)Paramètres associés.

 

a) Gain de luminance.

 

Le gain de luminance mesure l'amplification en énergie obtenue dans le signal lumineux. Il compare donc l'intensité lumineuse générée par les rayons X sur l'écran primaire et celle qui est obtenue en bout de course sur l'écran secondaire. Si les étapes de conversion photons-électrons au départ et électrons-photons à l'arrivée ont des rendements assez faibles et représentent donc des pertes en énergie, par contre la forte accélération des électrons au travers du tube apporte un gain considérable. Par ailleurs la surface de l'écran d'anode est à peu près cent fois plus petite que celle de la cathode, ce qui représente une amplification du même ordre en termes d'énergie par cm². Au total, le facteur de multiplication se situe entre 1000 et 10000.

 

b) Facteur de conversion.

 

Il s'agit ici de comparer ici l'effet obtenu à la cause première, selon une démarche très habituelle et très naturelle dans tout système d'entrée-sortie. Dans ce qui nous occupe l'effet final est l'image lumineuse à l'anode et la cause première est le faisceau de rayons X incident sur l'instrument. On choisit de mesurer la première par le paramètre physique de luminance, en unités candelas/m², et de mesurer le second par le débit de dose, en roentgen/s. Le facteur de conversion se mesure donc en cd.s/m².mR. Il faut reconnaître que cela en fait un paramètre fort peu intuitif qui n'a d'intérêt que lorsqu'on compare un instrument à un autre de même nature.

 

c) Rapport signal-bruit..

 

En imagerie comme dans bien d'autres domaines, le bruit est souvent lié au caractère aléatoire des évènements qui forment le signal: Pour un nombre N de quantas, rayons X, électrons ou autres, la fluctuation est mesurée par la racine carrée de N. En conséquence lorsque N augmente, le bruit augmente en valeur absolue mais diminue en valeur relative (racine de N augmente avec N, mais racine de N divisée par N diminue): Le rapport signal-bruit s'améliore.

 

RadConv VC_4

 

Quand on a affaire à un élément amplificateur, et c'est le cas ici, le bruit aussi bien que le signal est multiplié par le facteur de gain: Le rapport signal-bruit reste inchangé, avec pour conséquence qu'un signal élevé peut présenter des fluctuations fort élevées également. Il en résulte à l'image des effets de neige qui peuvent se révéler gênant.

Quand l'effet de neige est trop important, une solution consiste à augmenter l'intensité du faisceau X et à diminuer le gain de l'ampli, mais cela se fait bien sûr au détriment de la dose patient.

 

RadConv VC_5

 

d) Pouvoir séparateur et FTM (fonction transfert de modulation).

 

De façon très classique, le pouvoir séparateur est mesuré par des mires de définitions, constituées de lames opaques séparées par un milieu transparent de même épaisseur latérale. Ces paires de lignes sont de plus en plus fines et rapprochées, la question étant de savoir jusqu'où on peut voir la séparation entre les deux milieux. La limite définit le pouvoir séparateur de l'instrument et se mesure en nombre de paires de lignes par centimètre. Le pouvoir séparateur d'un ampli de luminance se situe typiquement entre 20 et 30 paires/cm. Pour améliorer ce paramètre le fabricant peut jouer sur la taille des grains de sulfure de zinc formant l'écran d'entrée, mais cela se fait au détriment du facteur de gain. En effet, la fluorescence émise lors de l'interaction d'un rayon X se développe essentiellement sur tout le volume d'un grain, de sorte qu'un grain petit donnera une bonne résolution mais une faible luminescence. alors que pour un grain plus gros la fluorescence sera plus vive mais la définition plus grossière.

Liée à cela est la FTM, ou fonction transfert de modulation. Il s'agit d'exprimer le contraste en fonction du nombre de paires/cm. C'est souvent la seule façon de comparer entre eux des instruments d'optique basés sur des principes physiques différents.

 

RadConv VC_6

 

Le contraste obtenu au travers de l'ampli de luminance se compare tout à fait à la radiographie classique pour de basses fréquences, donc pour des structures larges. Pour des objets plus fins, liés à des fréquences spatiales plus élevées (10 paires/cm et au-delà) la comparaison est au profit de la radiographie.