Cours TDM Physique Appliquée Et Technologie Cours M SOUALMI [PDF]

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MATIERE : TOMODENSITOMETRIE, PHYSIQUE APPLIQUEE ET TECHNOLOGIE Enseignant : M SOUALMI

INTRODUCTION ET DEFINITION Voir à l'intérieur du corps a toujours intrigué l'homme. L'imagerie médicale commence véritablement en 1895, avec la découverte des rayons X par l'allemand Wilhelm Röntgen. L'imagerie médicale permet d'obtenir des images de l'intérieur du corps humain à partir de différentes principes physiques (ultrasons, rayons X, rayons gamma, champ magnétique...). Elle permet aux médecins d'explorer le corps humain de plus en plus finement et ainsi d'établir des diagnostics de plus en plus précis. D'autres applications sont possibles comme le suivi et l'optimisation des traitements ou encore l'aide à la chirurgie. L'imagerie médicale est un des domaines de la médecine qui a le plus évolué ces 20 dernières années. Comme la radiographie classique, le scanner s'appuie sur l'absorption plus ou moins importante des rayons X selon le milieu traversé (les os, par exemple, étant beaucoup plus absorbants que les tissus mous). La technique du scanner permet l’exploitation précise de nombreux organes. L’avantage de cette technique par rapport à la radiologie classique est l’obtention, grâce à sa sensibilité, de résultats, coupe par coupe, des éléments jusqu’alors confondus sur les clichés radiographiques standards. En effet, en radiologie classique, le faisceau de rayons X projette sur une plaque radiographique les ombres des organes traversés en les confondant. Les zones entourées par des tissus plus denses (comme les os) ne sont donc pas visibles. Le tomodensitomètre (scanner) pallie cet inconvénient : il permet de visualiser tous les éléments profonds de l’organisme, alors qu'une radiographie ordinaire n'offre "qu'une vue en projection" du volume irradié. Son principe est en effet de choisir un plan de coupe et d’effectuer de multiples projections sous différents angles afin de connaître le coefficient d’atténuation en chaque point du plan. Donc par définition la tomodensitométrie (TDM) ou scanographie, appelée « Computerized Tomography » par les Anglo-Saxons, scanner pour le publique, est une méthode de diagnostic radiologique tomographique, permettant d'obtenir des coupes transversales, reconstruites à partir de la mesure du coefficient d'atténuation du faisceau de rayons X dans le volume étudié. La tomodensitométrie a connu un essor considérable, justifié par son intérêt diagnostique et l'amélioration continue de ses performances techniques. Elle représente l'une des applications les plus réussies et les plus fécondes de l'application de l'informatique à la médecine et à l'imagerie médicale.

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CONSTRUCTION D’UN SCANOGRAPHE

Un tomodensitomètre (scanner médical) est constitué d’un statif qui comporte deux (02) parties : 1°) Système de détection et de mesure composé : -

de stator (partie fixe, qui comporte le tunnel, généralement de 70 cm de diamètre, les éléments de contrôle mécanique pour les différents mouvements du statif, les éléments de réception et de transmission de données numériques et d’alimentation électrique) ;

-

et de rotor (partie mobile, qui comporte le générateur haute tension pour la fabrication des rayons X, le tube à rayons X, le système de détection et le convertisseur analogiquenumérique ; la vitesse de rotation du rotor est généralement de l’ordre de la seconde pour une rotation de 360°, la tendance actuelle est à l’augmentation, les constructeurs proposent des appareils qui effectuent une rotation complète en environ 0,5 seconde).

N.B : Le statif stator et rotor peut s’incliner de +/- 25° par rapport à sa position verticale afin de permettre une orientation de l’acquisition dans la plan de la coupe souhaité (disque, plan OM,…).

Disposition des différents éléments constitutifs d’un tomodensitomètre.

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MATIERE : TOMODENSITOMETRIE, PHYSIQUE APPLIQUEE ET TECHNOLOGIE Enseignant : M SOUALMI 2°) Couchette ou table motorisée Sur laquelle le patient est allongé est mobile, aussi transparente aux rayons X que possible et elle permet un mouvement de translation longitudinale au sein de l'anneau formé par le rotor. 1°) Système de détection et de mesure : Il est constitué de :  Tube à rayon X : Les appareils actuels conservent encore la technologie du tube de Coolidge utilisée dans les installations radiologiques classiques, néanmoins, ces tubes sont plus performants en termes de capacité et de dissipation thermique et donc plus cher : -

Capacité thermique de l’ordre de 8 MUC (unité chaleur) ;

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Dissipation thermique importante d’environ 1,5 MUC/min.  Système de filtration :

Le système de filtration est une lame métallique de faible épaisseur interposé entre le tube radiogène et la collimation primaire, il permet d’homogénéiser le faisceau X dès sa sortie afin d’arrêter les rayons X « mous ».  Collimation primaire et collimation secondaire : La collimation primaire est située en aval du filtrage, elle calibre le faisceau de rayon X en fonction de l’épaisseur de coupe désirée. Elle limite l’irradiation inutile. La collimation secondaire est placée en avant des détecteurs, elle limite le rayonnement diffusé par le patient.

Schéma de la collimation primaire et collimation secondaire

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MATIERE : TOMODENSITOMETRIE, PHYSIQUE APPLIQUEE ET TECHNOLOGIE Enseignant : M SOUALMI  Système de détection (Détecteurs) : Le détecteur est l’interface entre le monde physique et le monde électrique, il transforme les photons X en signal électrique. Ce signal est directement proportionnel à l’intensité du faisceau de rayons. Ils constituent l’un des points clés de la qualité de l’image et des performances d’un tomodensitomètre. Ils sont faits de multiples cellules de détection placées côte à côte et situées en face du tube à rayons X par rapport au malade. Les détecteurs utilisés dans les scanners actuels, sont des détecteurs à scintillation. Détecteurs à scintillation Le phénomène de scintillation apparaît dans certains matériaux lorsqu'une particule y dépose une quantité d'énergie suffisante. De la lumière est émise le long de la trajectoire de la particule. La quantité de lumière produite peut être reliée à la quantité d'énergie déposée par la particule ayant interagit dans le matériau scintillateur. La mesure de cette quantité de lumière permet ainsi de mesurer l'énergie ou le nombre des particules ayant interagi. Les matériaux scintillateurs sont ainsi devenus d'efficaces détecteurs de particules.

Principe du détecteur à scintillation  Convertisseurs analogique-numérique ;  Système d’alimentation du tube scanographique [générateur] ; (câble interposés jusqu’à 1987, depuis l’arrivée du mode continu, le transfert se fait par des bagues collectrices ou frotteurs, appelés aussi slip rings)  Système de contrôle du statif.

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MATIERE : TOMODENSITOMETRIE, PHYSIQUE APPLIQUEE ET TECHNOLOGIE Enseignant : M SOUALMI 2°) Couchette ou table motorisée C’est une table de haute technologie dont le déplacement est coordonné à l’acquisition, et qui atteint une précision de l’ordre du micromètre ainsi que des vitesses pouvant atteindre 40 cm/s (selon les appareils et le pitch utilisé). Couchette ou lit motorisé, effectuant un mouvement vertical et longitudinal.  Système de reconstruction de l’image (Ordinateur)  Système de visualisation de l’image (Image/écran)

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PRINCIPE DE LA FORMATION DE L’IMAGE TOMODENSITOMETRIQUE Le scanner X étudie l'atténuation d'un faisceau de rayons X au cours de la traversée d'un segment du corps. En effet, les faisceaux de rayons X traversant un objet subissent une atténuation par absorption et diffusion qui dépend du numéro atomique de l'objet et de l'énergie des rayons X incidents. Cette atténuation, si l'objet est homogène, est exprimée par l'équation : I = Io. e -µ L avec I : intensité du rayonnement transmis Io : intensité du rayonnement incident µ : coefficient d'atténuation linéaire (en cm-1) L : l'épaisseur de l'objet en cm Le coefficient d'atténuation µ, pour un élément donné, dépend de son numéro atomique Z (= nombre de charge = nombre de protons = nombre d'électrons), de sa densité, de l'énergie du rayonnement incident ; si bien que le choix de la tension du générateur du scanner X est un paramètre important dans le fonctionnement de la machine. Le spectre d'énergie du rayonnement polychromatique sortant du tube à rayons X est donc filtré, et il est caractérisé par son énergie moyenne. La mesure de µ, pour un élément donné, est donc plus un "moyennage" qu'une valeur réelle pour une énergie monochromatique donnée. D'ailleurs, en pratique, pour un corps biologique, µ ne représente en fait qu'une mesure moyennée des différents éléments présents dans l'unité de volume étudié. Or le coefficient d'atténuation ne peut être déterminé par une seule incidence, mais par la multiplication des incidences. Il faut avoir, en effet, suffisamment de données pour calculer un coefficient d'absorption qui soit satisfaisant. Le nombre de "segments" calculés est fonction de la matrice (notion de pixel et voxel). Il est indispensable de rapporter les coefficients d'atténuation à un coefficient d'atténuation de référence à savoir : l'eau. Les valeurs ainsi rapportées ont été définies par Hounsfield d'où le nom d'unités Hounsfield (UH). Hounsfield a donné à l'eau le niveau 0, à l'air le niveau -1000, et à l'os la valeur +1000. La formule mathématique qui relie le coefficient d'atténuation linéaire (m x) d'un corps donné (x) et son opacité (CTx) en unités Hounsfield (UH) est la suivante: CTx = (1000µ x µeau) / µeau

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MATIERE : TOMODENSITOMETRIE, PHYSIQUE APPLIQUEE ET TECHNOLOGIE Enseignant : M SOUALMI Il est admis que l'air a un coefficient d'atténuation de l'ordre de 0, si bien que la valeur TDM de l'air est ainsi arbitrairement fixée à -1000. La valeur TDM de l'eau devient 0 et celle du calcium se situe à +1000. Ainsi, on peut avoir une représentation graphique des densités attribuées par la TDM à certaines composantes du corps humain. On comprend qu'il n'existe en scanographie qu'un seul paramètre, à savoir le coefficient d'absorption des rayons X, et qu'il s'agit donc d'un procédé de densitométrie linéaire selon le trajet de progression du rayonnement. L’acquisition scanographiques Au scanner on a trois modes d’acquisition : - mode radio : Radio numérisée du patient dans une position donnée tube/détecteur. L’ensemble tube/détecteur ne bouge pas car l’angle est définit au préalable donc seule la table se déplace pendant le passage des rayons X. - mode séquentiel : les rayons X parcourent le patient sans que la table ne se déplace pas. → La table ne bouge pas pendant l’émission du faisceau de rayons X mais seulement pour placer le patient à l’épaisseur voulue entre deux émissions de rayon X. Donc la table bouge exactement pour faire des coupes de l’épaisseur voulue (jointive, chevauché et non jointive) - mode hélicoïdale : passage des rayons X et déplacement de la table en même temps, cela implique qu’il y a synchronisation des rayons X et de la table. Le principe du mode hélicoïdal repose sur la rotation continue du tube autours du lit en déplacement pendant l’acquisition des données brutes. Le tube décrit une figure géométrique assimilable à une hélice. Le transfert de l’énergie électrique se fait part des contacteurs dits « slipring » (générateurs de haute fréquence embarqués à l’intérieur du statif transmettant le courant par des contacts sur un anneau) La vitesse de rotation sur les scanners les plus récents est de 0,35s / 360° tube à 12G !!!

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Le scanner hélicoïdal permet de faire l'imagerie des parties du corps, qui sont en mouvement perpétuel comme les pics artériels, les retours veineux ou les temps d'équilibre. Cette imagerie est rarement possible sur un scanner planaire, car les mouvements involontaires du patient introduisent du flou dans l'image. Aussi, un autre avantage de ces scanners hélicoïdaux, c'est la parfaite continuité des différentes coupes transversales, du volume balayé. Le traitement secondaire des informations acquises, permet de faire des reconstructions, 2D multiplanaires (MPR Multiplanar Reconstruction), 3D surfacique, 3D volumique, MIP (Maximum Intensity Projection) ou bien encore de l'endoscopie virtuelle d'excellente qualité.

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ECHELLE DE HOUNSFIELD Les coefficients d’atténuation linéaires sont exprimés en Unités Hounsfield (UH), échelles semi arbitraire, mais cohérente dont les trois valeurs de base sont - +1000 pour l’os, qui correspond à une absorption totale - –1000 pour l’air, qui correspond à une transparence totale - 0 pour l’eau Hx(UH) = 1000 (µx - µeau )/( µx + µeau ) Ainsi, l’image TDM numérique reconstruite (matrice) correspond à un tableau de chiffres. Chaque chiffre est disposé dans la case élémentaire ou pixel, le coefficient d’atténuation locale. Les UH de quelques tissus sont données dans le tableau 1.

L’association de niveaux de gris à toute l’étendue de l’échelle de Hounsfield, ne permet de distinguer que 12 à 16 structures différentes que l’œil humain peut distinguer. Le fenêtrage permet de choisir le domaine des atténuations que l’on veut représenter sur l’écran de visualisation. Par exemple, Si on choisit de visualiser les coefficients entre 0 et 1000 UH, le contenu du crâne apparaît uniformément gris, et les os de la boite crânienne en blanc. Par exemple, si l’on décide d’utiliser la gamme complète des luminosités pour représenter les coefficients d’atténuation ou densités correspondant à +200 à -200 UH, l’image d’une coupe crânienne permet de distinguer les ventricules cérébraux de la matière cérébrale où on distingue la substance blanche de la substance grise. (fig. 5 et 6).

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Fig. 5 Echelle de Hounsfield et principe de fenêtrage

(A)

(B)

Fig. 6 Image TDM d’une coupe crânienne avec deux fenêtre différentes de l’échelle de Hounsfield

(A) : largeur (W) = 1500, centre (WL) = -400 (B) : largeur (W) = 100, centre (WL) = +59

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DEVELOPPEMENT ET TECHNOLOGIE A partie du prototype de Hounsfield, plusieurs techniques vont apparaître, la principale différence réside dans le principe géométrique de l’acquisition. Ces différentes évolutions ont permis de classer les modèles en 4 générations  Scanners de première génération à détecteur unique L'ensemble tube détecteur effectue un double mouvement : une translation horizontale suivie d'une rotation d'angle faible 1°.La mesure ne se faisant que pendant la translation. Après 180 rotations soit 180° l'ordinateur exploite les 180 "profils" obtenus. La plupart des appareils de ce type permettaient d'acquérir deux profils par l'adjonction d'un second détecteur en parallèle analysant ainsi deux couches simultanément. Le temps de réalisation de la (les deux) coupe(s) était supérieur à 6 minutes.

1 ère génération translation + rotation sur un seul détecteur

 Scanners de deuxième génération à détecteurs multiples C'est le premier scanographe à détecteurs multiples, les constructeurs ayant simplement multiplié le nombre de détecteurs par 10, 20 ou 30 ce qui permet les mesures suivant plusieurs incidences pendant ce temps la rotation s'effectue avec un pas de 20° ce qui limite le nombre de rotations à 9, 20 fois moins qu'auparavant. Le temps d'acquisition donc d'irradiation est ainsi limité à moins de 20 secondes.

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2ème génération translation +rotation de plusieurs détecteurs

 Scanners de troisième génération Ce type de scanner utilise un éventail de 300 détecteurs environ disposés dans une chambre d'ionisation au Xénon. L'angle d'ouverture du faisceau est assez grand pour couvrir la totalité du patient. Les mouvements de translations sont donc obsolètes un mouvement unique de rotation est suffisant. Le temps d'acquisition est ramené à une dizaine de secondes.

3ème génération rotation seule d'une banane de détecteurs en rotation

 Scanners de quatrième génération Ce type de scanner n'est proposé que par un constructeur, il se compose de détecteurs fixes disposés autour de la couronne, seule la source de rayons X se déplace en décrivant une rotation sur un cercle inscrit en dehors de la couronne de détecteurs.

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Le temps de résolution est approximativement de deux secondes

Les scanners actuels Les scanners utilisés de nos jours sont de type troisième génération, un seul fabricant propose le type quatrième génération. La technologie dans le domaine du tube radiogène, des détecteurs, et surtout de l'informatique de reconstruction des images connaît actuellement une progression exponentielle. Aujourd'hui on est capable de faire une acquisition (une rotation) en 750 millisecondes avec reconstruction instantanée sur les scanners de type troisième génération. La révolution en matière de scanographie est venue de l'acquisition volumique dite aussi spiralée ou hélicoïdale.

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QUALITE ET PERFORMANCE DE L’IMAGE TDM L’étalonnage

Il faut contrôler la qualité primaire du rayonnement incident grâce à un étalonnage des détecteurs : c’est la calibration. 3.2 La résolution spatiale C’est le plus petit détail visible à fort contraste .Si on diminue le foyer, on augmente la résolution spatiale (valable aussi en conventionnel) Si on diminue l’épaisseur de coupe, on augmente la résolution spatiale. Si on augmente la taille de la matrice, on augmente la résolution spatiale. La résolution en densité C’est la plus petite différence de contraste ou d’absorption décelable par l’appareil. Elle dépend du niveau de bruit qui parasite le système de détection et du nombre de photons X qui arrive sur les détecteurs (Elle augmente donc avec l’élévation des mas) La résolution en densité du scanner est 10 fois supérieure à la radiologie conventionnelle. La résolution temporelle C’est le phasage entre la production des rayons X et la visualisation de l’examen. Elle est primordiale lors de l’utilisation de produits de contraste. Elle dépend : -Du temps d’acquisition des données. -Du temps de reconstruction -Du temps de cycle: ensemble de opérations regroupant acquisition, reconstruction, visualisation, archivage et déplacement du lit. Le bruit C’est la dispersion des valeurs de densité de l’image autour d’une valeur moyenne. Tout système de mesure et de transfert de mesures crée obligatoirement un bruit dans la retranscription du signal. L’effet de volume partiel C’est un effet qui peut gêner les radiologues lors de leur interprétation.

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MATIERE : TOMODENSITOMETRIE, PHYSIQUE APPLIQUEE ET TECHNOLOGIE Enseignant : M SOUALMI L’image reconstruite à partir d’une coupe d’une épaisseur X tient compte de toute l’information densitométrique contenue dans cette épaisseur. Exemple : Nodule pulmonaire Soit un nodule de 2 mm, on ne risquera pas de « manquer »la localisation de ce nodule si on fait des coupes d’une épaisseur de 10 mm, ceci est bon pour la résolution spatiale. Les artéfacts - les artéfacts de cible : Elle est due au mauvais réglage des détecteurs post ou sans calibration. - le flou cinétique : Du aux mouvements du patient (de moins en moins grâce à l’acquisition rapide et volumique sur scanner hélicoïdal). -les artéfacts de volume partiel : se produit quand le diamètre de l’objet examiné est inférieur à l’épaisseur de la coupe, c’est-à-dire à la hauteur du voxel.

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MESURES ET TRAITEMENTS DE L'IMAGE SCANNOGRAPHIQUE Plusieurs fonctions de mesures sont accessibles à l'opérateur sur la console de visualisation d'un scanner. Nous ne citerons que les principales possibilités. Mesure des distances : Elles sont mesurées entre 2 ou plusieurs points prédéfinis par l'opérateur sur l'écran et sont données au 1/10ème de mm près, l'exactitude des mesures qui est excellente dépend au préalable d'une calibration de la machine. Mesures des surfaces et des volumes : La surface d'une zone d'intérêt définie par l'opérateur (au moyen d'un track ball) est proportionnelle au nombre de pixels pris en compte. Comme l'épaisseur de la coupe est connue, les volumes sont aussi mesurables. Les mesures de "densités": On délimite sur l'écran une région d'intérêt dont on obtient la densité moyenne en unités Hounsfield (UH). Ces mesures sont utiles pour vérifier la nature liquidienne ou graisseuse d'une structure. Reconstruction d'autres plans de coupes : Les scanners X jusqu'à la quatrième génération ne donnent que des plans de coupes transverses. On peut obtenir par reconstruction informatique des plans de coupes perpendiculaires (plans sagittal et frontal) ou obliques. Reconstruction 3D : Il existe actuellement des logiciels appropriés à la représentation tridimensionnelle (3D). L'avenir de ces images 3D est important en particulier dans la préparation des plans de traitement en radiothérapie et en chirurgie.

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INCONVENIENTS DE LA TDM - Les examens TDM sont peu irradiant pour chaque coupe. Un examen comporte habituellement un grand nombre de coupe, mais pour chacune l’irradiation est localisée à la zone anatomique correspondant à la coupe explorée. L’irradiation reçue en un point donné n’augmente pas de manière proportionnelle au nombre de coupes. Par exemple un examen TDM abdominal comportant une 20 ne de coupes entraîne une irradiation cutanée de 50mSv et d’environ 20Sv au centre du faisceau. - Irradiation du personnel - Une autre source de danger est représentée par l’injection de produits de contraste iodés.

BIBLIOGRAPHIE - BRUNEREAU F ZEITOUN, Guide de sémiologie en scanner, Masson 2005. - J.P. Dillenseger et E.Moerschel, Guide des technologies de l'imagerie médicale et de la radiothérapie : « Quand la théorie éclaire la pratique », édition Masson 2009. (Pages 103 – 147). - L ARRIVE, L AZIZI, Scanner pratique, édition Masson 2009. - Scanner a Rx; « tomodensitométrie » D.DOYEN.E, A.CABANIS, édition MASSON PARIS 2000. - Scanographie volumique multi coupe, principes, applications et perspective édition, Masson, paris 2002.

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