Physique pour la médecine

...la théorie!

Radiologie conventionnelle

Chapitre V: Détection   analogique.

V.B. Les écrans renforçateurs.


1)Principe.

 

Comme signalé ci-dessus (Ch.V.A), les rayons X sont en réalité peu efficaces pour impressionner le film argentique. Celui-ci est beaucoup plus sensible à la portion du spectre optique situé dans le violet-bleu-vert (…et quasi insensible au rouge, mais cela n'est pas le sujet!). Les écrans renforçateurs ont pour but de transformer les rayons X en lumière bleue ou verte, laquelle interagit avec le film pour former l'image latente. De ce point de vue, ils ont représenté historiquement un progrès considérable en radiologie, en termes de qualité d'image et surtout de dose imposée au patient.

 

RadConv VB_1

 

Les photons de lumière générés par l'interaction d'un rayon X sont émis dans toutes les directions. L'écran peut donc être situé avant le film ou après le film, ou encore dédoublé de part et d'autre. En mammographie par exemple, la faible énergie des rayons X impose pratiquement l'usage d'un écran unique situé au-delà du film.

 

2)Constitution.

 

Un écran renforçateur comporte typiquement quatre couches. Selon la figure ci-dessous, qui suppose un écran placé au-delà du film, on distingue:

1)Une couche de matière élastique (feutre, mousse,…) dont le rôle est de "plaquer" l'écran contre le film quand on ferme la cassette, de façon à obtenir un bon contact et une bonne transmission des photons.

2)Un support cartonné réfléchissant, souvent de couleur blanche, qui a pour but de renvoyer vers le film les photons émis dans la mauvaise direction.

3)La couche active, constituée de cristaux luminescents enrobés dans un liant coloré. L'épaisseur est de l'ordre de 200 à 300µm, soit près de dix fois celle de l'émulsion photographique, ce qui explique la bonne efficacité dans l'absorption des rayons X. Le liant coloré a pour but d'absorber les photons de lumière qui auraient à parcourir une grande distance dans l'écran avant d'atteindre le film. L'idée est de limiter le cône de diffusion susceptible d'impressionner le film et d'améliorer en définitive la résolution moyenne (voir §4 ci-dessous).

4)Une fine couche (≈20µm) de matière résistante qui assure la protection mécanique. Elle est bien sûr transparente aux photons lumineux.

 

 

RadConv VB_2 

3)Luminescence.

 

L'interaction d'un rayon X avec l'écran renforçateur se marque par le transfert d'énergie vers des molécules du milieu qui se voient portées vers des niveaux excités. La désexcitation des niveaux moléculaires s'accompagne de l'émission de photons de lumière ce qui fait du phénomène une sorte de luminescence. La longueur d'onde, ou "couleur" des photons émis est caractéristique des atomes émetteurs, donc de la composition de l'écran renforçateur, sachant qu'ici on souhaitera privilégier l'émission dans la gamme violet-bleu-vert. Un milieu classique en usage depuis longtemps est le tungstate de calcium CaWO4, qui émet plutôt dans le bleu. D'autres écrans qui tendent aujourd'hui à s'imposer sont faits de terres rares, à savoir des lanthanides comme le gadolinium; le terbium ou l'europium. La lumière émise se situe plutôt dans le vert. L'extraction de ces matériaux a longtemps fait problème, ce qui explique pourquoi ils ont mis du temps à se généraliser en dépit de leur réelle supériorité dans le domaine.

L'efficacité d'un écran renforçateur est mesurée par son coefficient de conversion, défini comme le rapport de l'énergie lumineuse obtenue et de l'énergie X absorbée. En pourcentage de conversion les écrans CaWO4 ont un coefficient de 5 alors que les écrans "terres rares" ont un coefficient proche de 25!

 

4)Récolte des photons.

 

Le fait que lors d'un événement les photons sont émis dans toutes les directions amène deux préoccupations: en récolter un maximum d'une part et éviter une trop grande dispersion d'autre part. Dans la figure ci-dessous, les photons "1" sont ceux qui sont émis dans la bonne direction pour activer le film. Ils se distribuent à l'intérieur d'un cône plus ou moins ouvert ce qui entraîne inévitablement une perte de résolution: Alors que le rayon X interagit ponctuellement, le film est impressionné sur une petite tache circulaire autour de ce point. Il faut voir cela dans le cadre du conflit entre efficacité et résolution qu'on retrouve un peu partout dans les problèmes de détection.

 

RadConv VB_3

 

Les photons "2" sont émis dans la mauvaise direction mais ils ne sont pas perdus pour autant puisqu'un écran réfléchissant les renvoie vers le film.

Les photons "3" sont ceux qui sont émis sous de grands angles. S'ils étaient tous récoltés la tache au niveau du film serait fort large ce qui entraînerait définitivement une très mauvaise résolution. C'est là qu'intervient le colorant incorporé à l'écran. Il absorbe les photons qui parcourent une trop longue distance avant d'atteindre le film, donc ceux dont la trajectoire est trop inclinée.

 

5)Rapidité du couple film-écran.

 

Le coefficient renforçateur d'un écran mesure le rapport des doses d'exposition donnant le même noircissement dans le cas du couple film-écran d'une part et dans le cas d'un film sans écran d'autre part. Ce coefficient est typiquement de l'ordre de 30 à 40, ce qui mesure le progrès énorme apporté par la technique du renforcement.

L'indice de rapidité mesure en fait la même chose mais dans des unités relatives, donc sans dimension. Parler d'un écran d'indice 200 et d'un écran d'indice 100 signifie qu'il faut deux fois moins de mAs pour obtenir le même noircissement avec le premier qu'avec le deuxième. Une façon simple d'accroître la rapidité est d'augmenter l'épaisseur de l'écran puisque le nombre d'interactions de rayons X est augmenté d'autant. Toutefois le cône de diffusion des photons est plus ouvert en moyenne au niveau du film pour les écrans plus épais de sorte qu'on retombe là dans le classique conflit entre résolution et efficacité.

 

RadConv VB_4