Physique pour la médecine

...la théorie!

Radiologie conventionnelle

Chapitre V: Détection   analogique.

V.A.Le film photographique (argentique).

L’argentique disparaît ! Après de bons, longs et loyaux services, elle a cédé le pas face aux techniques de détection numérique, ce qui est à vrai dire le cas de tout le domaine beaucoup plus vaste de la photographie au sens commun du terme. Ses derniers bastions sont tombés : La mammographie y trouvait des caractéristiques qui lui convenaient bien, en termes de contraste notamment, mais les progrès du numérique ont supprimé cet atout. Des techniques d’imagerie comme le scanner ou l’IRM, par nature numériques, ont longtemps trouvé intéressant de faire le chemin inverse, à savoir imprimer sur films argentiques des images stockées dans les mémoires d’un ordinateur. La raison de cela est à trouver dans la formation des praticiens, habitués à l’observation sur négatoscope. Aujourd’hui l’analyse sur écran couleur haute définition supplante cette pratique.

Il reste que cette technique d’enregistrement a marqué pour longtemps le domaine de la radiographie. On ne peut nier son importance historique et conceptuelle qui en fait une sorte de paradigme. Il n’est donc pas mauvais qu’un cours de physique de l’image rappelle encore aujourd’hui, fut-ce rapidement, quelles en étaient les caractéristiques, les qualités et les défauts.

 

1) Structure du film.

 

La couche active du film est un gel ou émulsion de 25µm d’épaisseur typique, posée sur un support souple de 200µm et couvert d’une fine couche protectrice. Pour accroître l’efficacité, la couche active est souvent dédoublée sur les deux faces du film.

 

RadConv VA_1

 

L'émulsion est un état colloïdal tel que le milieu de dispersion est gélatineux et la phase dispersée composée de micro-cristaux de bromure d'argent BrAg (Un colloïde est un état constitué d'un milieu de base dans lequel se trouvent dispersées de petites particules d'un phase autre: une fumée est un colloïde, mais aussi un brouillard, ou encore le lait!) .

La gélatine a pour caractéristique d'être plutôt liquide lorsqu'elle est hydratée et plutôt solide lorsqu'elle n'est pas hydratée. Dans le cas qui nous occupe, elle est hydratée à la fabrication, pour étalement, déshydratée pour usage comme film détecteur, réhydratée au développement de façon à permettre les échanges chimiques, et enfin séchée à nouveau pour usage final, observation au négatoscope ou archivage.

Les grains de bromure d'argent sont des cristaux de type ionique, à savoir des structures où l'un des atomes, ici l'argent, se défait complètement d'un électron au profit de l'autre atome, ici le brome. D'autres exemples de cristaux ioniques sont le NaCl, ou sel de table, ou encore le NaI, très utilisé en imagerie comme détecteur à scintillation. Les grains ont une taille de l'ordre du micron et contiennent grosso modo un million de paires d'ions Ag-Br. Il y a environ 1010 grains par cm³ d'émulsions. La distance moyenne entre deux grains est de quelques microns.

 

2) Action des photons.

 

Quand un photon interagit avec la structure cristalline, il y a réduction d'un atome d'argent ce qui peut être vu comme le transfert d'un électron du brome vers l'argent. C'est cette information très ténue qui sera considérablement amplifiée lors du développement par réduction complète du grain concerné.

 

RadConv VA_2

 

L'action des photons sur le film dépend très fortement de leur longueur d'ondes. Ainsi, il est important de souligner que les rayons X sont en réalité peu efficaces pour impressionner le film et que en ce qui concerne la fenêtre optique, la lumière bleue ou verte est très efficiente, contrairement à la lumière rouge qui ne l'est pratiquement pas. C'est pour cette raison que les locaux utilisés pour la manipulation des films sont équipés de lampes rouges (lumière "inactinique"). Surtout, cela explique pourquoi les écrans renforçateurs, décrits plus loin, ont représenté un grand progrès en radiologie.

 

3) Courbe sensitométrique.

 

…ou courbe de noircissement. Cette courbe est une caractéristique importante du film, qui permet non seulement d'apprécier ses qualités mais aussi de comparer entre eux les différents produits proposés par les fabricants. Elle met en relation la densité optique D et le logarithme de l'exposition E. En somme elle relie l'effet à la cause, la cause étant l'exposition à une certaine intensité de rayons X et l'effet étant le noircissement obtenu au niveau du film.

L'exposition E est une mesure de l'énergie rayonnante qui a impressionné le film. Elle dépend évidemment de la tension appliquée au tube (les kV) et de la charge demandée pour le cliché (les mAs).

La densité optique D est une mesure du voile apparu localement au niveau de l'émulsion. Si le film est éclairé à l'arrière selon une intensité lumineuse I0 (…émise par exemple par les lampes d'un négatoscope), et qu'on appelle It l'intensité transmise localement à un endroit du film (…tel qu'observé au négatoscope, dans notre exemple), alors le rapport It/I0 est appelé transmittance locale. L'inverse de la transmittance, soit I0/It, est l'opacité , ou de façon équivalente le noircissement. Par définition, la densité optique D est le logarithme de l'opacité.

 

RadConv VA 3bis

 

Etant donné que la courbe sensitométrique exprime la densité optique en fonction du logarithme de l'exposition, elle peut donc être vue comme une courbe log-log. Elle a une forme sigmoïde qui peut être décomposée en cinq parties comme le montre la figure ci-dessous.

 

RadConv VA_4

 

La zone I concerne les zones pas du tout ou peu exposées aux rayons X. Le noircissement n'est pas nul et mesure le voile de fond voulu par le fabricant du film. L'idée est d'éviter à l'œil d'être ébloui par les zones non exposées lorsque l'image est observée au négatoscope.

La zone II marque le début de l'action photographique des rayons X. A partir de là, le noircissement devient une fonction univoque de l'exposition: à exposition différente, densité optique différente. Cette zone est dite seuil, ou pied de la courbe.

La zone III est la partie linéaire de la région de relation bi-univoque. C'est une zone de proportionnalité entre D et log(E) qui peut être vue comme la partie utile de la courbe. La gamme de valeurs d'exposition concernée définit l'ensemble des régions anatomiques différentes en quantité, nature ou densité de matière, qui peuvent être distinguées sur le film par des niveaux de gris différents.

La zone IV, ou épaule de la courbe, marque le début de la saturation. Le film est très noir et les détails deviennent peu visibles.

En V il y a surexposition. Les valeurs de E sont supérieures à l'exposition qui impressionne la quasi totalité des grains de bromure d'argent.

 

4) Latitude d'exposition.

 

La caractéristique principale de la courbe sensitométrique est la largeur de la zone III., qu'on appelle latitude d'exposition. C'est elle qui définit la gamme des valeurs d'exposition qui correspond à des noircissements variables et donc à des détails observables et distinguables. Une bonne mesure de cette largeur de zone est la pente de la portion de droite correspondant à la zone III. On appelle cette pente le gamma de la courbe, ou le facteur de contraste.

 

RadConv VA_5

 

Un film à grande latitude est un film qui projette sur les différents niveaux de gris, du blanc au noir, une large fenêtre en valeurs d'exposition. Cela convient bien à des collections d'objets à différences de densités élevées (thorax, osseux,…). Autrement dit à un haut contraste objet doit correspondre un faible contraste film. Inversement si on souhaite observer une région à contraste objet faible, il faut un haut contraste film, donc une faible latitude. C'est le cas de la mammographie par exemple, qui prétend faire la différence entre des tissus de densités proches. On trouve ici la raison pour laquelle l'argentique est restée un temps l'un des derniers bastions de la mammographie. En regard des techniques numériques que nous verrons plus loin, les films à faible latitude occupent une position particulière: Plus performants que les écrans numériques à conversion indirecte, ils ont été finalement supplantés par les films numériques à conversion directe. Il a donc fallu attendre le développement de ces derniers pour que le numérique s'impose là aussi.

 

RadConv VA_6

 

5)Développement du film.

 

L'action des photons sur le film se traduit par la réduction d'ions d'argent en argent métallique. Il s'agit là d'une action chimique qui ne fait apparaître aucune modification physique visible. On parle alors d'image latente. Le développement va transformer cette image latente en image visible. Il comporte quatre étapes:

1°) La révélation: Le révélateur est une solution chimique dont l'action est de réduire totalement les grains porteurs de germes. Comme un grain de bromure d'argent comporte typiquement un million de paires Ag-Br, on a là un processus d'amplification tout à fait important! Il existe une valeur optimum pour le temps de révélation: S'il est trop court, la réduction des grains n'est que partielle. S'il est trop long, des Ag métalliques peuvent diffuser et servir de germe aux grains non exposés.

2°) Le fixage: Le fixateur est une substance qui solubilise le brome, tant les atomes Br qui résultent de la révélation que les grains AgBr non exposés. Après action, il ne reste plus que les atomes d'argent métalliques responsables du noircissement du film.

3°) Le lavage élimine les traces de fixateur qui subsistent après l'étape précédente.

4°) Le séchage resolidifie le gel pour permettre la manipulation du film: Analyse, transport ou archivage. Il peut se faire soit par exposition à un rayonnement infrarouge, soit par circulation d'air chaud à la surface du film.

Les développeuses automatiques assurent le suivi de ces différentes opérations sans intervention manuelle. Le film est guidé mécaniquement par des jeux de rouleaux au travers de trois cuves chargées respectivement de la révélation, du fixage et du lavage. Il termine son chemin dans un bac où il peut-être récupéré après séchage.

 

RadConv VA_7