[PDF] Cours 2 21 janv. 2013 Tube à rayons

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Imagerie

GTS503 :

Cours 2

Présentations

21 janvier 2013 2 GTS503 - C3 : Imagerie

Modalités

21 janvier 2013 3 GTS503 - C3 : Imagerie

Modalités

Radiographie

http://info.med.yale.edu/library/exhibits/curie/curie-2.html http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/xrays.html

4 GTS503 - C2 : Imagerie

Modalités

Fluoroscopie

Écran fluorescent : émission

de lumière visible lorsque frappé par la radiation ionisante

Intensificateur d'image : voir

les images sous conditions normales (plus de chambre noire) - : forte irradiation

5 GTS503 - C2: Imagerie

Modalités

Mammographie

6 GTS503 - C2 : Imagerie

Introduction

Les modalités ² Tomographie Axiale (CT)

meded.ucsd.edu/isp/ 1999/surgery/rad02.html web.northnet.org/.../ ct%20scan%20hospital.jpg

7 GTS503 - C2 : Imagerie

Notions de physique

Ondes, atome et rayonnement

21 janvier 2013 8 GTS503 - C3 : Imagerie

DĠfinition d'une onde͗

Fréquence F ou ʐ [Hz] : nombre de cycle par seconde Longueur d'onde ʄ [m] : distance entre 2 maximum

Vitesse de propagation v ou c [m/s]

Notions de physique

Les ondes

JT Bushberg et al., 2002

9 GTS503 - C2 : Imagerie

Notions de physique

I·MPRPH

Noyau =

Proton :

Élément de charge électrique positive

Numéro atomique Z

Neutron :

Élément sans charge électrique

Notation N

=> Nombre de masse : Différent de la masse atomique ; edžemple de l'odžygğne 16 ͗

8 protons

8 neutrons

A = 16 mais masse = 15,9949 amu

Calcul :

011/10/atome1.jpg

10 GTS503 - C2 : Imagerie

Notions de physique

I·MPRPH

Noyau =

Proton

Neutron

Nuage extranucléique d'Ġlectrons :

Éléments de charge électrique négative

Modèle de Bohr :

orbites d'e- à distance fixe du noyau couches (+ proche au + éloigné = attraction la + forte à la +faible) : n : nbe quantique

Chaque couche contient 2n2 e-

Niǀeau d'Ġnergie associĠ JT Bushberg et al., 2002

11 GTS503 - C2 : Imagerie

Notions de physique

I·MPRPH

12 GTS503 - C2 : Imagerie

Notions de physique

I·MPRPH

Énergie de liaison

Énergie nécessaire pour retirer un électron complètement de l'atome Peut ġtre donnĠe par un photon ou une forme corpusculaire d'une radiation ionisante Augmente avec le nombre de protons dans le noyau ; dépend donc du nombre atomique (Z)

13 GTS503 - C2 : Imagerie

Notions de physique

Cascade G·pOHŃPURQV

Retrait d'un e- par un photon

> lacune dans la couche >Lacune comblée par un e- d'une couche supĠrieure

Énergie libérée

= énergie de liaison couche origine - énergie de liaison couche finale = libérée sous forme de photon (rayon X ou e- Auger)

JT Bushberg et al., 2002

14 GTS503 - C2 : Imagerie

Notions de physique

Rayonnement électromagnétique

Infrarouge : Thermographie

Visible : Endoscopie, Microscopie

Ultraviolet : Fluoroscopie

Rayons X : Radiographie

Rayons gamma : Scintigraphie

15 GTS503 - C2 : Imagerie

Onde

Particule sans masse, d'Ġnergie

Corpuscule

Modèle précédent insuffisant pour expliquer les Ġchanges d'Ġnergie entre le rayonnement et la matière > physique quantique

Photons

Ensemble de particules = photons

Énergie du photon :

Lorsque E est exprimé en en keV et l en nm :

Rappels de physique

Rayonnement électromagnétique -

Dualité onde/corpuscule

h : constante de Planck h = 6.62 x10-34 J-sec = 4.13 x 10-18 keV-sec

16 GTS503 - C2 : Imagerie

Notions de physique

Ionisation

Notion de ionisation ͗ lors d'une interaction rayonnement t matière : Rayonnement non-ionisant : ne change pas la structure des atomes Rayonnement ionisant : énergie suffisante pour ioniser la matière, i.e. détacher un ou plusieurs e- d'un atome. Plusieurs types, dont rX et r- gamma se distinguant par leur mode de production : Rayons gamma > radioactivité, désexcitation nucléaire, transformation du noyau de l'atome

Rayons X > processus électromagnétiques

17 GTS503 - C2 : Imagerie

Notions de physique

Ionisation

On distingue :

Les rayonnements directement ionisants : rayonnement constitué de particules chargées électriquement :

Particules chargées (e-)

Tube à rayons X

Les rayonnements indirectement ionisants : rayonnement particulaire et/ou électromagnétique non-chargé électriquement

Interactions avec les atomes du corps humain

18 GTS503 - C2 : Imagerie

Notions de physique

Ionisation

Ionisation spécifique :

Nombre d'ions primaires et secondaires produits par unitĠ de longueur du trajet de la particule

Ð avec la vitesse de la particule incidente

19 GTS503 - C2 : Imagerie

Interaction avec la matière

7UMQVIHUP OLQpLTXH G·pQHUJLH

Quantité d'énergie transférée au milieu cible suite à la perte d'Ġnergie de la particule chargĠe

Fonction :

Î augmentation de l'ionisation ă ǀitesse plus basse

Du carré de la charge

20 GTS503 - C2 : Imagerie

Production de rayons X

Tubes à rayons X et générateurs

21 janvier 2013 21 GTS503 - C3 : Imagerie

Production de rayons X

Tube de Coolidge

Tube à vide :

1.Production d'e- par le filament chauffé par un courant

2.Attraction des e- par une cible métallique portée à une forte tension positive (anode) par rapport

au filament (cathode) rayons X

JT Bushberg et al., 2002

22 GTS503 - C2 : Imagerie

Production de rayons X

Tube de Coolidge ² Tube à anode tournante

JT Bushberg et al., 2002

Wikipedia, Rotating anode x-ray tube.jpg

23 GTS503 - C2 : Imagerie

Production de rayons X

Tube de Coolidge ² Anode

Tungstène :

Poids atomique élevé

Point de fusion élevé >

supporte la chaleur (2700 oC)

Foyer optique :

Aire de contact entre l'anode

et les e- venant de la cathode

Anode froide > foyer optique

petit х dĠtails de l'image meilleurs

Inclinaison de l'anode ͗ pour diriger les

photons X

Pente forte = petit foyer (poignet)

Pente faible = gros foyer (bassin, rachis)

24 GTS503 - C2 : Imagerie

Production de rayons X

Tube de Coolidge ² Anode

Les rayons X, ERFPS CHU Hôpitaux de Rouen

25 GTS503 - C2 : Imagerie

Production de rayons X

Tube de Coolidge ² Cathode

Configurations du filament :

Tube " universel » : forme circulaire /

conique

Design Benson : bobine allongée

Foyer optique :

Taille et forme influencée par la

position du filament escoolidge/coolidgeinformation.htm

26 GTS503 - C2 : Imagerie

Production de rayons X

Tube de Coolidge ² Foyer optique, résumé

JT Bushberg et al., 2002

27 GTS503 - C2 : Imagerie

Production de rayons X

Tube de Coolidge ² Filtration

Question : les rayons sortant du tube ont-ils tous la même

énergie ?

NON ! Filtration ͗ enleǀer les rayonnements n'ayant pas l'Ġnergie désirée, car :

Création de flou

Dose inutile au patient

Type :

Inhérente : dans le tube

Additionnelle

JT Bushberg et al., 2002

28 GTS503 - C2 : Imagerie

Production de rayons X

Tube de Coolidge

Création de photons X possédant diverses énergies.

Dû à 2 mécanismes :

Rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung

Rayonnement de fluorescence

29 GTS503 - C2 : Imagerie

Production de rayons X

Rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)

Passage d'un e- ă prodžimitĠ d'un atome

¾Freinage dû à la charge négative du nuage

électronique

¾Déviation due au noyau positif

e- ă la sortie de l'atome ͗ dĠǀiĠ et ralenti с perte d'Ġnergie Énergie de freinage : dégagée sous forme de rayon X

30 GTS503 - C2 : Imagerie

Production de rayons X

Rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)

Poursuite de l'e- vers un autre atome

Énergie plus faible

Donc r-y d'Ġnergie diffĠrente

Énergie des rayons X dépend :

De l'énergie cinétique de l'électron

De l'attraction du noyau (Charge Z)

De la distance entre l'électron et le noyau

31 GTS503 - C2 : Imagerie

Production de rayons X

Rayonnement de fluorescence

Collision de l'e- incident avec un e-

Cascade d'e- : un e- d'une couche

manquant

32 GTS503 - C2 : Imagerie

Production de rayons X

Rayonnement de fluorescence

transition > spectre de raies

Appellation des raies : lettre latine / lettre

grecque :

Lettre grecque : numérotation relative de la

couche de proǀenance de l'e- :

ɲ : couche immédiatement supérieure

ɴ : 2 couches au dessus

http://www.uvp5.univ- paris5.fr/DESRADIOLOGIE/MEDIAS/02_2011_

O_Ernst/Pub_02_2011_O_Ernst/index.htm

33 GTS503 - C2 : Imagerie

Production de rayons X

Rayonnement de fluorescence

Exemple : tube avec anode tungstène

Couches :

K : 69 keV

L : 11 keV

M : 1 keV

Autres : négligeable

Énergie de fluorescence K :

Énergie max : 69 keV (réarrangement externe - K) Énergie min: 69-11 = 58 keV (réarrangement K - L)

Énergie de fluorescence L :

Énergie max : 11 keV (réarrangement externe - L) Énergie min: 11-1 = 10 keV (réarrangement L - M)

34 GTS503 - C2 : Imagerie

Production de rayons X

Spectre de rayonnement

JT Bushberg et al., 2002

35 GTS503 - C2 : Imagerie

Production de rayons X

Tube de Coolidge ² Tension et intensité

Effet de la tension :

Forme du spectre continu de freinage

Effet de l'intensitĠ du filament ͗

Amplitude du spectre

= quantité de rayons

E=1.6*10-19 [Coulomb] ͗ charge de l'e-

U : Tension [V]

36 GTS503 - C2 : Imagerie

Interaction avec la matière

21 janvier 2013 37 GTS503 - C3 : Imagerie

Interaction avec la matière

Atténuation

I : nombre de photons après la traversée de la matière

I0 : nombre initial de photons

x : distance traversée type de tissu traversé

38 GTS503 - C2 : Imagerie

Interaction avec la matière

2 principaux types :

Effet photoélectrique : prédominant aux faibles énergies (<50keV) Effet Compton : prédominant aux fortes énergies (>110keV)

39 GTS503 - C2 : Imagerie

Interaction avec la matière

Effet photoélectrique

Un photon X donne la totalité de son énergie à un électron, qui est expulsé

E : énergie du photon incident

WL : énergie de liaison de la couche électronique

Suit une cascade d'Ġlectron, donc :

Émission d'un nouǀeau photon y

Émission d'un e- Auger, si photon X assez énergétique

Source : Vuillez, J.P., Chap2 : Interactions

des rayonnements avec la matière

40 GTS503 - C2 : Imagerie

Interaction avec la matière

Effet photoélectrique

Atténuation :

d: densité

Z : numéro atomique

E : énergie des photons

k : constante ÎFaible variation de Z = grosse modification du coefficient d'attĠnuation, surtout ă basse Ġnergie (E faible)

41 GTS503 - C2 : Imagerie

Interaction avec la matière

Effet Compton

Si énergie photon très supérieure à énergie des e- de la couche K ͗ impossible de transfĠrer toute l'Ġnergie du photon

X à un e-

Î Effet Compton :

Une partie seulement de l'Ġnergie du photon y permet d'Ġjecter l'e-

Le photon X est dévié et poursuit sa route

42 GTS503 - C2 : Imagerie

Interaction avec la matière

Effet Compton

Source : Vuillez, J.P., Chap2 : Interactions

des rayonnements avec la matière

43 GTS503 - C2 : Imagerie

Interaction avec la matière

Effet Compton

Atténuation :

d: densité E : énergie des photons k : constante ÎFonction surtout de la densité de matière donc faible variation en fonction des tissus

44 GTS503 - C2 : Imagerie

Interaction avec la matière

Effets photoélectrique et Compton - Résumé

2 mĠcanismes d'attĠnuation ͗

Photoélectrique : aux faibles énergies

Compton : aux fortes énergies

CrĠation d'un rayonnement y diffusĠ, de direction diffĠrente du rayonnement incident ; le patient devient une source de rayons X

45 GTS503 - C2 : Imagerie

Interaction avec la matière

Choix des kV

Très faibles (<30kV)

Absorption de tous les rayons par le patient

Irradiation, mais pas d'image edžploitable

Très fort (>150kV)

Faible coefficient d'attĠnuation, par effet Compton

Peu de variation entre les organes

Irradiation, mais pas de contraste de l'image

46 GTS503 - C2 : Imagerie

Acquisition des rayons X

Propriétés de l'image

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