Physique pour la médecine

...la théorie!

 

Tomodensitométrie  (scanner)

Chapitre II: Matériels et méthodes.

 

 

II.A. Le fan-beam.

 

 

 

1) Premier scanner

 

 

 

Selon le principe mathématique de reconstruction des images par rétroprojection, proposé par Radon dès 1917, il s'agit de projeter la coupe à imager sur une ligne dans une direction donnée, puis de reproduire l'opération sous un grand nombre de directions distribuées sur 360°, ou au moins sur 180°.Le premier scanner mis au point par Hounsfield au début des années 70 était conçu pour serrer ce principe au plus près: Une source X envoyait un fin pinceau de rayons vers un détecteur unique placé en vis-à-vis, le tout se déplaçant parallèlement à lui-même pour couvrir l'entièreté de la coupe et obtenir ainsi sa projection selon une première direction. Puis le système pivotait d'un petit angle et entamait un nouveau balayage par déplacements parallèles, et ainsi de suite jusqu'à atteindre le demi-tour en rotation. La première machine opérationnelle capturait 160 lignes parallèles sur une translation globale de 24cm et pivotait de 1° par étape pour couvrir au total 180°, ce qui donnait 160x180=28800 mesures, le tout en 5min pour les dernières versions les plus rapides.

 


Scan IIA 1 

 

 

 

Outre le respect dû à son importance historique, il faut laisser à ce prototype un avantage qui ne s'est plus retrouvé par la suite: L'absence totale de bruit par diffusion puisque tout rayon X dévié de sa trajectoire n'avait aucune chance d'être détecté. Il faut souligner par ailleurs que quelles que soient les améliorations apportées par la suite, et elles furent bien sûr nombreuses et sophistiquées, l'ensemble des données se doit d'être ramené à un canevas analogue à celui-ci, prêt pour l'ultime étape de rétroprojection. Cela se fait par calcul, par interpolations entre les données acquises.

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Tomodensitométrie  (scanner)

Chapitre II: Matériels et méthodes.

 

 

II.B. Rayons X.

 

 

 

1) Source.

 

 

 

On trouvera dans la partie "radiologie conventionnelle" (Ch.III)  une description détaillée du tube à rayons X ainsi qu'une évocation des contraintes thermiques élevées liées à un fonctionnement normal. Sur un scanner, le tube est monté de manière telle que son axe soit parallèle à l'axe z, ceci pour des raisons mécaniques mais aussi pour obtenir un faisceau assez homogène sur toute l'ouverture de l'éventail de détection. La puissance peut varier entre 20 et 120kW, pour une tension de 80 à 140kV. La course vers des vitesses de scan élevées suppose en soi une augmentation du courant tube, donc de la puissance, puisque le temps d'exploration d'une région donnée diminue quand la vitesse augmente. Par contre la multiplication des barrettes (voir ci-dessous) va dans l'autre sens puisque cette fois une région donnée est vue plus longtemps. Il semblerait toutefois que les fabricants de multibarrettes exploitent cette innovation dans un sens de diminution du temps de scan plutôt que d'une diminution de la puissance tube, vu que bon nombre d'applications tomographiques apprécient une bonne luminosité. Le mode de fonctionnement en hélice (scanner hélicoïdal: voir plus loin) est plus décisif de ce point de vue: Contrairement au mode séquentiel, où le tube peut refroidir entre deux coupes, le principe est ici de maintenir le fonctionnement en continu jusqu'à exploration complète d'un volume donné, ce qui conduit à des temps de 30 à 60s pour un scan complet. Pour un tube classique à anode tournante, cela suppose une gestion à la baisse de la puissance de fonctionnement sous peine de dépasser la charge admissible. La figure ci-dessous montre comment la puissance-tube doit être adaptée au temps de scan, et ce pour deux foyers de tailles différentes (pour un petit foyer, l'énergie est plus concentrée localement, ce qui entraîne une augmentation plus rapide de la température à l'impact des électrons).

 

 

 

Scan IIB 1 

 

 

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Tomodensitométrie (scanner)

Chapitre II: Matériels et méthodes.

 

 

II.D. Autres systèmes.

 

 

 

Note: De nombreux auteurs parlent en termes de "générations" pour décrire des systèmes de scanner qui se sont succédé sur quelques années (les années 70) et forment en réalité la genèse de la tomodensitométrie. Dans ce schéma, la première génération est le prototype de Hounsfield, à savoir un tube à rayons X et un détecteur unique qui opèrent un premier balayage par translation, puis pivotent d'un petit angle pour entamer un second balayage, et ainsi de suite. La seconde génération est cette même machine où on a commencé à démultiplier le nombre de détecteurs pour augmenter la vitesse d'acquisition (éventail partiel). La troisième génération est le fan-beam, qui se confond aujourd'hui avec le scanner de base et fait l'objet des chapitres précédents, et la quatrième génération est le scanner à anneau complet de détection, décrit ci-dessous. A notre connaissance, Bushberg et al. sont les seuls à avoir poursuivi la logique en montant à sept générations dans leur édition de 2002. Il est vrai qu'à ce jeu on risque vite des désaccords sur la numérotation… et la complétude!

 

1) Anneau de détection.

 

De conception postérieure au fan-beam, vers la fin des années 70, ce système a dû s'effacer devant les performances de celui-ci en rotation continue. Les détecteurs se disposaient sur un anneau complet de 360° et étaient donc assez nombreux. Dans les derniers modèles on en a compté jusqu'à 4800, soit typiquement six fois plus que dans un fan-beam. Seul le tube à rayons X tournait selon une trajectoire circulaire intérieure à l'anneau de détection, statique quant à lui. Cela réduisait de beaucoup la masse en rotation et donc les contraintes mécaniques liées à des vitesses élevées dans ce type de mouvement (effets centrifuges).  Par contre le faisceau se devait en principe d'être plus ouvert à la sortie du tube de manière à couvrir l'entièreté de la section à imager, ce qui ne favorise pas la résolution spatiale.

 

Scan IID 1 

 

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Tomodensitométrie  (scanner)

Chapitre II: Matériels et méthodes.

 

 

II.C. Scanner hélicoïdal.

 

 

 

1) Modes d'acquisition.

 


 

a. Topogramme

 

 

 

Un topogramme (ou "scout view") est une prise de données à bas courant et de basse résolution effectuée en gardant fixe le carrousel tube-détecteur et en déplaçant la table et le patient sur une certaine distance. Le résultat n'est donc pas fait de coupes transversales mais d'une simple projection de la zone explorée analogue à ce que propose la radiologie conventionnelle. Il s'agit en fait d'un repérage des régions anatomiques visées qui seront ainsi plus efficacement cernées lors des mesures TDM à haute résolution qui suivront cette première étape.

 

L'angle de projection peut-être choisi assez arbitrairement selon le type d'application. En particulier, une vue latérale de la tête permet, le cas échéant, de choisir l'angle d'inclinaison de la machine qui conviendra le mieux à la morphologie du patient.

 

 

b. Acquisition séquentielle

 

 

 

Dans ce mode, le tube est activé une première fois pendant que le carrousel tourne toujours dans le même plan, ce qui permet d'acquérir une première coupe. Tube éteint, la table se déplace ensuite d'un cran puis s'arrête pour permettre l'enregistrement d'un deuxième coupe, et ainsi de suite jusqu'à ce qu'on ait exploré tout le volume visé. Ce mode, qui a l'avantage de laisser reposer le tube à chaque étape mais le défaut d'être lent, a prévalu pendant les premières années de développement de la technique TDM pour s'effacer ensuite face au mode hélicoïdal, beaucoup plus rapide. Il lui reste quelques applications réservées, par exemple lorsqu'un volume peut être sondé en laissant de larges espaces entre les coupes. Ou encore lorsqu'il s'agit d'exploration dans le temps plus que dans l'espace. C'est le cas par exemple lorsqu'on veut suivre l'évolution d'un bolus et son action progressive sur l'atténuation des rayons X à un endroit donné (TDM dynamique). Ou encore en interventionnel, où la tomographie joue le rôle de la fluoroscopie en radiologie conventionnelle, ce qui suppose bien sûr ici une reconstruction des images en temps réel.

 

Il est possible que l'acquisition séquentielle connaisse un nouveau départ avec l'augmentation en largeur des multibarrettes, qui peut conduire à l'observation du volume visé en une seule fois ou en deux ou trois étapes, en retrouvant dans ce dernier cas l'avantage d'un tube qui repose entre deux activations.

 

 

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