Rayons X - Cours PDF

# MEDICAL TOURS - 2024-2025 ## M5 : Imagerie Medicale ### Actualisation #### Fiche de cours n°2 ##### Rayons X ###### Distribution papier - Notion tombée 1 fois au concours - Notion tombée 2 fois au concours - Notion tombée 3 fois ou plus au concours Médical Tours - 47 rue de la Parmentière -...

# MEDICAL TOURS - 2024-2025 ## M5 : Imagerie Medicale ### Actualisation #### Fiche de cours n°2 ##### Rayons X ###### Distribution papier - Notion tombée 1 fois au concours - Notion tombée 2 fois au concours - Notion tombée 3 fois ou plus au concours Médical Tours - 47 rue de la Parmentière - 37520 LA RICHE - Tél : 02 21 76 45 37 ## Tube de Crookes - Par le physicien anglais W. Crookes - Tube en verre avec du gaz à des pressions très basses et des tensions élevées - Electrodes = anode et cathode dans le tube - Haute tension générée par une bobine de Ruhmkorff - Tube sous vide partiel - Pression dans tube = 1/1000ème ATM - La haute tension ionise les gaz présents dans le tube - Gaz ionisés = plasma - Flux de cations vers la cathode - Cations percutent l'anode et arrachent des électrons - Les électrons arrachés sont attirés vers l'anode - Ces électrons sont appelés rayons cathodiques - Observation d'une luminescence verte du côté de l'anode ## Découverte des Rayons X - Le 8 novembre 1895 - Physicien de l'université de Würzburg en Allemagne - Découverte récompensée par le 1er prix Nobel de physique en 1901 - Diffusion rapide de cette découverte : début de la Roentgenology - Matériel : - Tube de Crookes enfermé dans une boîte hermétique : obscurité - Ecran de platinocyanure de baryum à proximité du tube - Observation : l'écran de platinocyanure de baryum est devenu luminescent - Phénomène de Fluorescence - Conclusion : Existence de rayons de nature inconnue émis par le tube de Crookes et capables de traverser la matière - Rayons baptisés "X" car c'est la lettre utilisée pour l'inconnu - Röntgen place une plaque métallique entre le tube et une feuille de papier - L'ombre de la plaque est visible sur la feuille - Röntgen place la main de son épouse entre le tube et une plaque photographique - L'image donne l'ombre des os, son alliance étant visible - 1ère radiographie - Principe de l'ombre chinoise avec papier gélatino-argentique - RX = première méthode d'exploration du corps humain ## Contexte de Découverte - Avant 1895 - 1678: Théorie ondulatoire de la lumière par Huygens - 1704: Théorie corpusculaire de la lumière par Newton - 1808: Découverte de l'atome par Dalton - 1879: Découverte de l'électricité par Edison - Après 1895 - 1899: Découverte de l'électron par Thomson - 1901: Recherche sur le spectre électromagnétique par Planck - 1905: Théorie de la relativité par Einstein - 1924: Dualité onde-corpuscule De Broglie ## Création de Champs par un Electron - Electron statique - Création d'un champ électrique _E_ environnant et local - _E_ s'exprime en Ampère/m - Electron en mouvement à vitesse constante - Création d'un champ électrique _E_ en mouvement - Création d'un champ magnétique _B_ - _B_ s'exprime en Gauss ou en Tesla - Electron en accélération - Création d'un champ électrique _E_ et d'un champ magnétique _B_ couplés - = création d'une onde électromagnétique se déplaçant dans l'espace et le temps - _B_ et _E_ sont orthogonaux - Fonctionne pour toute charge _q_ en accélération _a_ - Energie de l'onde électromagnétique varie selon _q_² et _a_² - Formule de Larmor - Amplitude de l'onde proportionnelle à l'accélération _a_ ## Propriétés des Ondes Électromagnétiques - Déplacement dans le temps - Période _T_ exprimée en _s_ - Fréquence _f_ exprimée en _Hertz_ ou en _s^-1_ - Longueur d'onde en _m_ : λ = T × ν = ν/f - Si _λ_ élevé alors _f_ faible - _v_ : vitesse de déplacement de l'onde électromagnétique - Si déplacement dans le vide : _v_ = _c_ la célérité de la lumière - c ≈ 3.10₈ m.s^-1 - Déplacement dans l'espace - Naturelle ou artificielle - Origine - Naturelle ou artificielle - Spectre - Rayons γ, Rayons X, Ultraviolet, Visible, Infrarouge, Micro-onde, Radio, Type de rayonnement - Longueur d'onde (m) - Fréquence (Hz) - Rayonnement thermique - Origine = mouvements moléculaires = variations de position des barycentres des molécules - Les accélérations produisent des ondes électromagnétiques - La température du corps est inversement proportionnelle à la longueur d'onde λ - Loi de Wien : T (en K) = 3.10^-3 / λ (en m) - 1°C = 273,15 K - Concerne tout corps solide, liquide ou gazeux ## Onde Electromagnétique : Dualité onde-particule - Aspect ondulatoire - Onde électromagnétique = onde de fréquence _f_ et de longueur d'onde _λ_ - Onde électromagnétique assimilable à un flux de particules appelées photons - Transfert d'énergie via des quantum d'énergie = photons - Les deux aspects sont reliés : l'énergie d'un photon est inversement proportionnelle à la longueur d'onde - E = h × f = h × c/λ - Unités : E en Joules, _f_ en _s^-1_, λ en _m_ - Célérité de la lumière dans le vide : c ≈ 3.10₈ m.s^-1 - Constante de Planck : h = 6,626.10^-34 J.s - E(eV) = 1,24/λ(μm) - 1 Joule = 1,601.10^-19 eV - eV = électron-volt : unité adaptée aux petites énergies - Aspect corpusculaire ## Rayons X - Nature = onde électromagnétique - De longueur d'onde : 10^-8 à 10^-12 m - Flux de photons d'énergie E: 40 eV à 40.10⁵ eV - 2 types de rayons X - Rayons X "mous" si λ > 1 nm soit 10^-9 m - Energie E faible - Rayons X "durs" si λ < 1 nm soit 10^-10 m - Energie E élevée ## Source de photons X : Rayonnement X de freinage = Bremsstrahlung - Origine : déviation des électrons dans la matière - Electron attiré par les noyaux de la matière - Par électrostatisme - Electron: changement de trajectoire + accélération - Déviations inconstantes et accélération - Emission de photon X variable : énergie libérée variable - Energie des électrons incidents = E_max - E_max augmente avec la tension entre l'anode et la cathode - Bilan énergétique - E_max liée à l'accélération des électrons - Energie des photons X résultant : E_RX < E_max - E_RX augmente avec la tension entre l'anode et la cathode - Spectre énergétique continu - Mélange de photons à faible énergie et de photons à forte énergie ## Source de photons X : Rayonnement X de fluorescence - 1) effet photoélectrique - Electron incident éjecte un électron atomique - Ionisation - Réarrangement électronique = un électron atomique descend remplacer l'électron éjecté - Emission d'un RX de fluorescence - Energie libérée dépend des couches électroniques - 2) Fluorescence - Rayonnement caractéristique qui ne dépend que de l'atome - Ne dépend pas de la tension du tube - Spectre énergétique de raies ## Réarrangement électronique - Energie libérée - Energie du photon X émis - Energie de liaison de l'électron expulsé - énergie de liaison du remplaçant - Energie de liaison : K > L > M > N - Au-delà les couches ont une énergie trop faible pour avoir de l'importance en production de RX - Valeurs des énergies de liaison dépendent de l'atome - Energies libérées caractéristique de l'atome - Multiples réarrangements possibles - Chaque réarrangement donne 1 raie - Chaque raie est caractéristique de l'atome - Principales raies: Kα, Kβ, La et Lβ - Désignation à partir des couches impliquées - Couche de destination : K, L ou M - Energie des raies K > L > M - Lettre grecque pour désigner le "saut" - β: l'électron remplaçant provient de 2 couches au-dessus - α: l'électron remplaçant provient d'1 couche au-dessus - Energie des raies Kα < Kβ < Kγ ## Faisceau de RX produit par un tube à RX - = résultante des 2 phénomènes - Bremsstrahlung + rayonnement de fluorescence - Spectre final - Composante continue du Bremsstrahlung + raies de fluorescence - Choix du matériau de l'anode - Pour maximiser la quantité de RX produit: - Numéro atomique Z élevé - Densité élevée - Doit avoir une température de fusion élevée car grosse émission de chaleur - En pratique: anode recouverte de tungstène - Z = 74 - Température de fusion : Tf = 3410 °C ## Tube à rayons X - dispositif - Schéma - Représentation d'un tube à rayons X comportant une cathode, une anode, un filament et une ampoule en verre. - Principe - Electrons émis à la cathode sont projetés sur l'anode - Production de rayons X - Filament de tungstène parcouru par un courant électrique - Puissance du Générateur électrique : P = I × U - I: intensité en mA - U: tension en V - Cathode - Matériau = tungstène, rhénium, rhodium, molybdène - Anode - Matériau = tungstène, rhénium, rhodium, molybdène - Système de refroidissement - A eau ou à air - Du côté de l'anode - Rendement - 99% de l'énergie est émise sous forme de chaleur - = η/P = Puissance des RX produits / Puissance électrique - Très faible : de l'ordre de 1% ## Interactions Rayons X - matière ### Atténuation par effets compton et photoélectriques dominants - Effet photoélectrique - Interaction d'un photon avec un électron fortement lié - Ejection de l'électron = photoélectron - Réarrangement : émission d'un photons X de fluorescence - Disparition du photon incident - Effet Compton - Interaction d'un photon avec un électron faiblement lié - Electron éjecté - Photon dévié ## Interactions rayons X - matière : avec les électrons des atomes - Transmission : 1 - Absence d'interaction - Diffusion : 2 - Déviation du faisceau incident - Image décalée trompeuse - Flou - Absorption : 3 - Faisceau arrêté - Rétrodiffusion : 4 - Faisceau renvoyé ## Radiographie de projection - 1) projection des RX sur le patient - 2) atténuation des RX par la matière - Par effet Photoélectrique et Compton - Apparition de photons X secondaires - Phénomènes de transmission, absorption, diffusion, rétrodiffusion - 3) réception par le détecteur - Des photons X transmis et diffusés - Faisceau conique donc agrandissement - L'image dépend de l'atténuation des RX ## Interactions rayons X - matière : loi d'atténuation - Décroissance exponentielle de l'intensité - I(x) = I₀ . e^-µx - µ dépend du numéro atomique Z et de la densité de la matière traversée - Atténuation variable - Selon la matière traversée : - Matière molle : faible atténuation - Matière dure : forte atténuation - Selon l'énergie des rayons X - RX mous : très atténués - Filtrage des RX trop mous en sortie du tube à RX car interagissent beaucoup: irradiation inutile - RX durs : peu atténués - Limitation des RX trop durs par le réglage de la tension U (kV) ## Interactions rayons X - matière : atténuation des RX dans le corps humain - Selon la composition - Z faible : matière molle - H¹, C⁶, N⁷, O⁸: principaux atomes de l'air, l'eau, les organes et les vaisseaux - Z élevé : matière dure - P¹⁵, Ca²⁰: principaux atomes du squelette - Ti²², Cr²⁴, Fe²⁶, Ni²⁸: corps étrangers - Contraste en radio : 4 niveaux de gris - Noir : air des poumons, gaz digestifs - peu dense - Gris foncé : graisse sous-cutanée et profonde - riche en N⁷ et O⁸ - densité = 0,9 g/cm³ - Gris clair : eau, organes pleins comme le cœur, vaisseaux - riche en C⁶, O⁸ et H¹ - densité eau = 1 g/cm³ - riche en H¹, O⁸, Na... - Blanc : squelette, calcifications ## Applications des rayons X - Non médicales - Contrôle des bagages - Radiographie des momies égyptiennes avant ouverture du sarcophage - Radiographie de projection : représente actuellement 50% des actes en radiologie - Application historique pendant la guerre 14-18 - RX émis en continu et observation direct par le médecin - Camionnettes "petites Curie" équipés de RX pour soigner les soldats sur le front sur l'initiative de Marie Curie : recherche des corps étrangers métalliques avant chirurgie - Médicales : explorations in vivo - Tomographie à Rayons X - Obtention d'images en coupe : "tomo" = coupe - Le tube à RX était basculé autour du patient - Développement en 1950 mais plus utilisé aujourd'hui - Tomodensitométrie - Obtention d'images en coupe : "tomo" = coupe - Développement en 1973 - A remplacé la tomographie ## Radiographies de projection actuelles - Par rapport à 1918 - Salles de radiographies semblables - Innovation majeure : développement de capteurs numériques - Actuellement : image au format numérique - Dématérialisation - Diffusion facile - Anciennement : film photographique - Développement des images à l'aide de produits chimiques - Images uniques - Segments du corps radiographiés - Thorax - Seins : mammographie - Rachis - Bassin - Panoramique dentaire - Squelette appendiculaire : membres supérieur et inférieur - Applications - Radiographies conventionnelles - Radiographies avec opacification = avec utilisation de produit de contraste radio-opaque - Contraste positif : blanc - Utilisation d'élément à numéro atomique élevé - Radiologie interventionnelle ## Radiographies de projection actuelles : principaux produits de contraste - Produit de contraste iodé - Iode : numéro atomique élevé Z = 53 - Inconvénients : - Toxicité rénale - Allergies à la molécule porteuse de l'iode - Opacification des cavités digestives, articulaires, urinaires, gynécologiques et surtout vasculaires - Produit de contraste baryté - Baryum : numéro atomique élevé Z = 56 - Opacification des cavités digestives uniquement - Inconvénient : toxicité péritonéale - Attention aux perforations digestives ## Tomodensitométrie X = TDM - Synonymes - Scanner ou scanner X ou scanography - Computed tomography =CT - Schémas - Représentation d'un appareil de tomodensitométrie. - Appareil - Tube à RX tournant autour du patient sur 360° - Détecteur mobile placé en opposition du tube - Barrette de détecteurs en éventail - Intérêt - Obtention d'image en coupe horizontale - Mis au point par G. Hounsfield - Prix Nobel médecine 1979 - Recherches financées par la société anglaise EMI qui a édité les Beatles - 1er scanner - Représentation d'un appareil de tomodensitométrie. - Principe - 1) Recueil du signal - Tube envoie N₀ photons : réception de N photons à l'opposé en sortie du patient - N = N₀.e^µL - Intégration : permet d'obtenir la cartographie des coefficients µ - µ = µ₁ + µ₂ + µ₃ + ... = somme des coefficients des tissus juxtaposés - 2) Calcul de l'atténuation - Intégration : permet d'obtenir la cartographie des coefficients µ - µ = µ₁ + µ₂ + µ₃ + ... = somme des coefficients des tissus juxtaposés - 3) Répétition - Selon une multitude d'angle - Plus on augmente le nombre de mesures, plus l'image est précise ## Danger des rayons X - RX sont des rayonnements ionisants - Rayonnements ionisants = rayonnements d'énergie E ≥ 13,6 eV - Concernent toutes les ondes électromagnétiques de λ ≤ 91 nm - Certains Ultraviolets - Rayons X - Rayons γ - Fort pouvoir énergétique - Peuvent ioniser des atomes: atténuation - Altération possible de l'ADN - Effets néfastes des rayons X - Effets déterministes: mort cellulaire - Dépendent de la dose - Dépendent du tissu - Effets stochastiques = aléatoires: cancérogenèse - Premiers radiologues ont souffert de nombreux cancers car absence de protection - Rayons X et grossesse - Danger pour l'embryon surtout aux 1er et 2ème trimestres - Si examen couvrant l'abdomen et surtout le pelvis - Radioprotection - = Ensemble de principes pour protéger patients et travailleurs - Principales autorités françaises : - Autorité de sureté nucléaire = ASN - Institut de radioprotection et de sureté nucléaire = IRSN