formation de l'image radio

Interactions entre les rayons X et la matière : la formation de l'image radiographique




Points importants :

 

  1. L'atténuation des rayons x dépend de l'épaisseur de l'objet, de sa densité, du numéro atomique des atomes le composant et de l'énergie des rayons x.
  2. La radiographie distingue 5 types d'opacité : l'air, la graisse, l'eau (tissus mous et liquides), l'os et le métal
  3. La radiographie ne permet pas de distinguer les tissus mous des liquides, qui apparaissent comme des "silhouettes" de même opacité
  4. Les 2 types d'interactions possibles dans les matières organiques avec les rayons x utilisés en radiodiagnostic sont l'effet photoélectrique et l'effet Compton
  5. L'effet photoélectrique se produit plutôt avec des rayons x de faible énergie et permet un arrêt des rayons x. Il est responsable d'un bon contraste de l'image radiographique
  6. L'effet Compton se produit plutôt avec des rayons x de forte énergie. Il est à l'origine d'un rayonnement diffusé contre lequel il faut se protéger et qui affecte le contraste de l'image radiographique. L'effet Compton est responsable d'un mauvais contraste de l'image radiographique.
  7. la quantité de rayonnement diffusé augmente avec la tension (kV), la taille du champ et l'épaisseur à radiographier.
  8. Lorsque la tension augmente, le contraste de l'image radiographique diminue.
  9. L'image radiographique est une projection conique d'un objet sur un plan. La forme des objets radiographiés dépend fortement de l'angle de projection.
  10. L'agrandissement radiographique dépend des distances foyer-objet et objet-récepteur. Il n'est pas souhaitable en radiologie car est associé à un flou lié à la taille du foyer.

L'image radiographique est formée par les différences d'atténuation du faisceau de rayons X dans les milieux traversés. L'atténuation des rayons x par la matière organique varie en fonction de l'épaisseur des objets, de leur composition physique et chimique et de l'énergie des rayons x. De plus, un rayonnement secondaire diffusant dans toutes les directions se forme lors du passage du faisceau de rayons X dans la matière, dont les effets néfastes influencent la qualité de l'image radiographique et conditionnent la plupart des mesures de protection associées à l'utilisation des rayons X.

1. Atténuation des rayons x

 

Le faisceau de rayons X est progressivement atténué lors de son passage à travers la matière. Trois évènements peuvent se produire :

  • les rayons x traversent sans être affectés : ces rayons forment les parties les plus noires de l'image radiographique
  • les rayons x sont arrêtés : la proportion de rayons x arrêtés conditionne le niveau de gris visibles sur l'image radiographique
  • les rayons x sont déviés et forment le rayonnement diffusé qui forme un voile uniforme sur l'image radiographique et a des conséquences sur la radioprotection.
  • L'atténuation des rayons x dans la matière suit une loi exponentielle décroissante sous la forme : Ix = Io e-μx, où Io est l'intensité du faisceau de rayons x initiale et Ix, l'intensité du faisceau à une distance x. Cette loi implique que la protection contre les rayons x n'est jamais totale et que, quelle que soit l'épaisseur utilisée, il reste toujours une proportion, même infime de rayons X. Les mesures de radioprotection n'ont pas pour vocation d'éliminer totalement le rayonnement, mais tendent à limiter l'exposition au maximum.

    L'atténuation des rayons x dépend de l'épaisseur à radiographier, mais aussi de la composition des structures à radiographier, en particulier la densité (masse volumique) et le numéro atomique des atomes constituants. L'atténuation dépend aussi fortement de l'énergie des rayons x impliqués. Plus les rayons sont énergétiques, plus l'atténuation est réduite. On parle de rayons plus "pénétrants".

    L'atténuation globale du faisceau de rayons x est responsable du noircissement (ou de la brillance) global de l'image radiographique. Le niveau de gris visible dans une zone du film correspond à la somme des atténuations élémentaires engendrée par les corps successivement traversés. Les objets apparaissent ainsi superposés les uns sur les autres sans qu'il soit possible de dire dans quel sens les rayons x sont passés.

    Les différences d'atténuation entre les régions sont responsables des différences de niveau de gris sur le film radiographique. Le différentiel d'atténuation est lié à la densité des objets et aux numéro atomique des atomes constituants. De petites différences ne sont pas perceptibles visuellement sur le film, et seules 5 catégories de structures sont discernées à la radiographie. Par ordre d'opacité aux rayons x croissante, on distingue : l'air, la graisse, l'eau (les tissus mous et les liquides), l'os et le métal.

    Métal
    Os
    Eau (tissus mous)
    Graisse
    Air

    La radiologie ne permet donc pas de différentier le myocarde du sang. L'ensemble forme une seule et même opacité qu'on appelle souvent "silhouette" cardiaque.

    Ce manque de résolution en contraste est un des gros inconvénients de la radiologie conventionnelle. L'introduction de produits de contraste radiographiques ou l'utilisation d'autres méthodes d'imagerie, comme l'échographie, permettent d'améliorer la résolution en contraste et de distinguer, par exemple le muscle cardiaque du sang.

    2. Interaction entre les rayons X et la matière

     

    L'interaction entre les rayons x utilisés en radiodiagnostic et la matière organique comprend essentiellement l'effet photoélectrique et l'effet Compton. La compréhension de ces mécanismes atomiques permet d'appréhender les facteurs impliqués dans l'atténuation sélective du faisceau de rayons x et donc dans le contraste de l'image radiographique.

    2.1 Effet photoélectrique

     

    L'effet photoélectrique se produit lorsqu'un rayon x arrive à proximité d'un électron d'une couche profonde avec suffisamment d'énergie pour pouvoir l'éjecter. Le rayon x est absorbé et le trop plein d'énergie se retrouve dans l'énergie cinétique du "photoélectron". Le "trou" laissé par l'électron éjecté est rempli par un électron d'une couche plus superficielle, qui laisse échapper un rayon x caractéristique de faible énergie (pour les atomes constituant les matières organiques) lors de sa "descente".

    Le résultat de l'effet photoélectrique est l'arrêt du rayon x (le rayon x caractéristique est d'énergie trop faible pour avoir un effet significatif), la production d'un photoélectron qui pourra avoir des effets biologiques néfastes, et la production d'un ion positif.

    La probabilité d'interaction par un effet photoélectrique est proportionnelle à la densité du matériel et au cube du numéro atomique des atomes constituants. Les atomes de numéro atomique élevé, comme l'iode (Z = 53), le baryum (Z = 56), ou le plomb (Z = 82) arrêtent plus facilement les rayons X par un effet photoélectrique que les atomes de numéro atomique faible (carbone, hydrogène, oxygène, azote) composant la matière organique. Par exemple, la probabilité d'interaction par un effet photoélectrique est (53/16)3 = 36 fois plus grande pour un atome d'iode (Z = 53) que pour un atome d'oxygène (Z = 16). Ceci explique pourquoi la protection contre les rayons x est souvent réalisée par du plomb : quelques millimètres de plomb suffisent à arrêter une grande proportion de rayons x.

    L'effet photoélectrique est l'effet principal dans les matières organiques lorsque les rayons x sont de relativement faible énergie. On considère que l'effet photoélectrique est l'effet majeur pour des tensions inférieures à 70 kV.

    2.2 Effet Compton

     

    L'effet Compton se produit lorsqu'un rayon x se trouve à proximité d'un électron périphérique peu lié à l'atome (appelé parfois électron "libre"). L'énergie du rayon x est transmise en partie à l'électron qui s'échappe avec une certaine énergie cinétique. Le reste de l'énergie se retrouve sous la forme d'un rayon x de direction différente et d'énergie inférieure.

    Le résultat de l'effet Compton est une déviation avec une perte d'énergie du rayon x, la production d'un électron et d'un ion positif. La nouvelle direction du rayon x est aléatoire, ce qui correspond à une diffusion du faisceau de rayon x dans toutes les directions, y compris dans le sens opposé au faisceau primaire. L'énergie des rayons x diffusés est inférieure à celle du faisceau primaire, mais ce rayonnement est encore suffisamment énergétique pour avoir des effets significatifs sur l'image radiographique et constituer un danger dont il faut se protéger.

    La probabilité d'interaction par un effet Compton ne dépend que de la densité du matériel et ne dépend pas du numéro atomique (comme pour l'effet photoélectrique). L'effet Compton est prépondérant dans les tissus organiques avec des rayons x de forte énergie (tension > 100 kV).

    Le rayonnement diffusé ou secondaire provient du patient. La quantité de rayonnement diffusé augmente avec l'énergie des rayons x et le volume irradié, c'est-à-dire l'épaisseur radiographiée et la taille du champ.

    Une partie du rayonnement diffusé atteint le récepteur en même temps que le faisceau primaire. Le rayonnement diffusé ajoute un voile uniforme sur l'image qui a pour double effet de contribuer au noircissement final de l'image et de diminuer le contraste de l'image. Le rayonnement diffusé se propage dans toute la pièce et justifie une grande partie des mesures de radioprotection, en particulier le port du tablier plombé.

    3. Effet de la tension (kV) sur le contraste de l'image

     

    La proportion d'effet photoélectrique et d'effet Compton varie en fonction de la composition de l'objet irradié et de l'énergie des rayons x. Dans les organismes vivants, l'effet photoélectrique est prépondérant aux basses tensions (50 - 70 kV) tandis que l'effet Compton est prépondérant aux hautes tensions (>100 kV). La proportion s'inverse progressivement lorsque la tension augmente.

    Le contraste obtenu par l'effet photoélectrique est relativement bon car il fait intervenir à la fois les différences de densité entre les milieux mais aussi les différences de numéro atomique. L'effet photoélectrique amplifie même les différences de numéro atomique : lorsque le numéro atomique est doublé l'atténuation photoélectrique est multipliée par 8. En revanche, le contraste obtenu par l'effet Compton est plus faible, car il ne dépend que de la densité des milieux et pas du numéro atomique des atomes constituants. Ainsi, le différentiel d'atténuation entre le muscle (densité = 1 ; Z=7,64) et l'os (densité=1,85 ; Z=13,8) est de 1 sur 12 par l'effet photoélectrique, alors qu'il n'est que de 1 sur 1,85 avec l'effet Compton. De plus, une grande quantité de rayons diffusés dégrade encore le contraste de l'image, par la superposition d'un voile uniforme. Le contraste de l'image radiographique varie donc avec la tension affichée par l'opérateur. Lorsque la tension est basse (<70 kV) l'image radiographique est plus contrastée que lorsque la tension est haute (>100 kV). Le contraste diminue progressivement lorsque la tension augmente.

    4. Géométrie de l'image radiologique

     

    La radiologie permet une représentation de l'objet dont la fidélité est imparfaite. Il s'agit d'une image de projection, contenant en un plan des informations originellement contenues dans l'espace. De plus, la radiologie déforme à un certain degré les objets et ne reproduit pas fidèlement leurs détails. Un agrandissement est la conséquence de la divergence du faisceau de rayons X. La compréhension des facteurs géométriques de la formation de l'image permet d'intégrer ces transformations dans l'interprétation radiographique.

    4.1 Projection radiographique

     

    L'image radiographique est une image de projection conique comparable, d'un point de vue géométrique, à celle obtenue par une vision monoculaire. Il en résulte une perte d'information quant à la position (profondeur) et la forme exacte des objets. La radiographie conventionnelle ne permet pas de visualiser le relief. Une deuxième vue, prise la plupart du temps avec une incidence perpendiculaire à la première, est nécessaire pour évaluer la position et la forme des objets dans l'espace.

    La forme de la projection d'un objet dépend de la forme de l'objet et de la position du faisceau de rayons X. Pour les objets de forme "simple" (cœur), 2 projections orthogonales permettent souvent une bonne appréhension de la forme réelle de l'objet. Pour les objets plus complexes (os du tarse ou du carpe), plusieurs projections orthogonales et obliques sont nécessaires.

    4.2 Agrandissement

    Du fait de la divergence du faisceau de rayons X, l'image radiographique est projetée avec un facteur d'agrandissement. Celui-ci dépend de la distance entre la source et l'objet et entre l'objet et le film. Il peut être calculé en utilisant les propriétés des triangles équivalents. Si l'agrandissement est défini par le rapport de la taille de la projection à la taille de l'objet réel, alors il est aussi égal au rapport de la distance source-film à la distance source-objet. L'agrandissement augmente lorsque la distance objet-film augmente ou lorsque la distance source-objet diminue. Un agrandissement a malheureusement pour conséquence une augmentation du flou géométrique dû à la taille du foyer. En radiologie conventionnelle, la distance objet-film est réduite au minimum pour augmenter la netteté de l'image. Autrement dit, l'objet à radiographier doit être placé le plus près possible de la cassette

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