PHYSIQUE DE L’IMAGERIEINTERVENTIONNELLEPrincipes de fonctionnement des appareils deradioscopie et d’angiographieFrédérique...
Plan de la présentation1. Chaîne d’imagerie2. Modes d’opération3. Qualité d’imageSource : IAEA Radiation protection in car...
1. CHAÎNE D’IMAGERIE1. Production et émission de rayons X2. Atténuation du faisceau dans le patient3. Détection des photon...
Production des rayons X : Générateur• Alimente le tube à rayons X• Contrôle les paramètres suivants :• Tension du tube rad...
Production des rayons X : Tube radiogène1. La cathode chauffée émet desd’électrons (mA) :↑ mA  ↑ débit d’électrons (é/s)2...
Production des rayons X : FiltrationFig: Effet du niveau de filtration sur lespectre en énergie du faisceau de rayons XDan...
Atténuation : photons transmisPhotons détectés1. Photons primaires• Traversent le patient sans interagir• Typiquement, les...
Atténuation : photons absorbésPhotons non détectés3. Photons non détectés• Déposent toute leur énergie au pointd’interacti...
Atténuation : Probabilité d’interactionLa probabilité que chacun des scénarios1., 2., et 3. se produise dépend de :• L’éne...
Production d’images : faisceau transmis• Le faisceau primaire est altéré parson passage dans le patient.• L’image est une ...
Production d’images: détecteursAmplificateur de brillance• Faible coût• Zoom optique• Distorsiongéométrique• Chaîne d’imag...
2. MODE D’OPÉRATIONRadioscopieAcquisitionMagnificationCollimationContrôle automatique de l’exposition
Radioscopie continueTube radiogène• Courant continu (0,5 à 6 mA)• L’anode est continuellement bombardée d’électrons• Émiss...
Radioscopie pulséeTube radiogène• Émission pulsée de rayons-X• Fréquence des pulses réglables selon l’applicationDétecteur...
RadioscopieAffichage30 i/s1/30 3/30 4/30 5/302/30secondesRadioscopie continueRadioscopie pulsée30 i/s30 pulses/sRX en fonc...
Acquisition• Comparable à la radiographie• Courant nettement plus élevé qu’en radioscopie (~200 à 600 mA)• Utilisé pour ar...
Acquisition : alternative à la ciné• La ciné est à utiliser avec parcimonie!• Préconiser la radioscopie• Faire rejouer la ...
Magnification• Le champ de vue (field of view FOV) maximal est défini par la taille dudétecteur• L’option de magnification...
Magnification• L’option de magnification modifie faisceau radiatif• Amincissement du cône de radiation• Augmentation du dé...
Collimation• Les lames définissent la forme et la dimension du faisceau RX• Réduit la zone exposée• Réduit la production d...
Contrôle automatique de l’exposition• Optimisation des paramètres decharge (kV, mA, temps) selonl’épaisseur du patient• Le...
Contrôle automatique de l’exposition• En radioscopie continue, le système régule le voltage (kV) etl’intensité du courant ...
QUALITÉ D’IMAGERésolutionBruitContrasteSource :IAEA, Radiation protection in cardiology L8 : Image quality in cardiac angi...
Résolution spatiale• La plus petite distance qu’il peuty avoir entre deux régions decontraste similaire sans qu’ellesne se...
Résolution spatiale• Plus la zone de pénombre estlarge moins l’image est nette,moins la résolution spatiale estbonne.• ↓ t...
Résolution temporelle• Flou dû au mouvement• Contraction/relaxation d’un organe• Respiration• Mouvement du patient• Facteu...
Bruit• Incertitude ou imprécision sur le signalenregistré.• Certaines sources de bruits sont inhérentesau système d’imager...
Bruit : photons diffusésSource :IAEA, Radiation protection in diagnostic and interventional radiology L7 : X Ray beamSourc...
Bruit : photons diffusésSource :IAEA, Radiation protection in diagnostic and interventional radiology L7 : X Ray beamSourc...
Bruit : quantité de photons• Facteurs affectant la quantité dephotons utilisés dans l’image :• Temps d’exposition• Courant...
Contraste• Capacité à distinguer deux régionsl’une de l’autre.• Différence relative de la densité optiquede deux régions d...
Contraste : effet du voltage (kV)• Le voltage du tube influence la qualité du faisceau :↑ kV  ↑ énergie cinétique des é ...
Contraste : effet du voltage (kV)On observe une diminution du contraste lorsque que le kV augmente,mais que la quantité de...
Contraste : effet du « mAs »• Le produit courant « mA » - temps d’exposition, le « mAs »,influence la quantité de rayons X...
Contraste : effet du « mAs »Dans ces images, le noircissement est régit par le « mAs ». Plus le« mAs » est élevé, plus l’i...
Agents de contraste• Iode, baryum• Densité élevée• Permettent d’obtenir un bon contraste en l’absence de contrastenaturel....
Qualité d’image• La dose, le contraste et le bruit sont interdépendantsBruitfaibleContrasteélevéDoseélevéeDosefaibleSource...
RésuméParamètre Qualité des images(à dose égale)Dose au patient(à qualité égale)↑ Épaisseur du patient ↓ qualité de l’imag...
Résumé• La qualité des images en radioscopie ou en angiographie n’est pasassurée.• Certains paramètres – kVp, mA, mAs – so...
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  1. 1. PHYSIQUE DE L’IMAGERIEINTERVENTIONNELLEPrincipes de fonctionnement des appareils deradioscopie et d’angiographieFrédérique Piché, CHUMLes entretiens vasculaires XXXI, 4 mai 2013
  2. 2. Plan de la présentation1. Chaîne d’imagerie2. Modes d’opération3. Qualité d’imageSource : IAEA Radiation protection in cardiology, L 12: Examples of Good & Bad Radiation Protection Practice
  3. 3. 1. CHAÎNE D’IMAGERIE1. Production et émission de rayons X2. Atténuation du faisceau dans le patient3. Détection des photons et conversiondu signal en images
  4. 4. Production des rayons X : Générateur• Alimente le tube à rayons X• Contrôle les paramètres suivants :• Tension du tube radiogène « kV »• Courant du tube radiogène « mA »• Temps d’exposition• Dicte le mode d’opération utilisé :• Radioscopie (continue / pulsée)• Acquisition numérique (exposition unique / ciné)• Permet le contrôle automatique de l’exposition
  5. 5. Production des rayons X : Tube radiogène1. La cathode chauffée émet desd’électrons (mA) :↑ mA  ↑ débit d’électrons (é/s)2. Les électrons sont accélérés par ladifférence de potentiel entre lacathode et l’anode (kV) :↑ kV  ↑ énergie cinétique des é3. L’anode est bombardée d’électrons,ce qui se traduit par l’émission derayons X (photons RX) :↑ énergie des é  ↑ énergie des RX*IAEA, Radiation protection in diagnostic and interventional radiology L6 : X Ray production.**IAEA, Radiation protection in cardiology L4 : X Ray production and angiography equipment.***
  6. 6. Production des rayons X : FiltrationFig: Effet du niveau de filtration sur lespectre en énergie du faisceau de rayons XDans l’image :1. Spectre émis par l’anode2. Spectre à la sortie du tube(filtration inhérente au tube)3. Filtration additionnelleEffet du filtre sur le faisceau :• Modifie la quantité de photons• Modifie le spectre en énergiePour une même énergie maximale,on observe un décalage de l’énergiemoyenne vers les hautes énergies àmesure que le niveau de filtrationaugmente.**IAEA, Radiation protection in diagnostic and interventional radiology L7 : X Ray beam.
  7. 7. Atténuation : photons transmisPhotons détectés1. Photons primaires• Traversent le patient sans interagir• Typiquement, les photons les plusénergétiques2. Photons secondaires (diffusés)• Photons qui ont été déviés suite à uneinteraction dans le patient au cours delaquelle ils ont perdu une partie de leurénergie• L’énergie perdue par le photon incidentest déposée dans le patient (dose)• Contribuent au bruit de fond123
  8. 8. Atténuation : photons absorbésPhotons non détectés3. Photons non détectés• Déposent toute leur énergie au pointd’interaction dans le patient.• Typiquement, les photons faiblementénergétiques• Contribuent à la dose de radiationreçue par le patient.123
  9. 9. Atténuation : Probabilité d’interactionLa probabilité que chacun des scénarios1., 2., et 3. se produise dépend de :• L’énergie des photons incidents• La nature des tissus atteints(composition, densité)Coefficient d’atténuation linéaire• Le nombre de photons de mêmeénergie diminue exponentiellementavec l’épaisseur du matériau.• Le taux de décroissanceexponentielle dépend de la probabilitéd’interaction.123
  10. 10. Production d’images : faisceau transmis• Le faisceau primaire est altéré parson passage dans le patient.• L’image est une projection despropriétés d’atténuation de tousles tissus rencontrés.• Les photons diffusés (faisceausecondaire) contribuent au signald’une région anatomique qui n’estpas vis-à-vis le point d’interaction.↑ bruit• L’image est ensuite formée parl’interaction des RX dans undétecteur.Source : IAEA, Radiation protection in cardiology L8 : Image quality in Cardiac Angiography.FaisceauprimaireFaisceausecondaireIntensité
  11. 11. Production d’images: détecteursAmplificateur de brillance• Faible coût• Zoom optique• Distorsiongéométrique• Chaîne d’imageriecomplexe• Signal vidéoDétecteur plat• Pas de distorsion• Zoom numérique• Très bonne plagedynamique(niveaux de gris)• Signal digitalSource : IAEA, Radiation protection in cardiology L4 : Xray production and angiography equipment.
  12. 12. 2. MODE D’OPÉRATIONRadioscopieAcquisitionMagnificationCollimationContrôle automatique de l’exposition
  13. 13. Radioscopie continueTube radiogène• Courant continu (0,5 à 6 mA)• L’anode est continuellement bombardée d’électrons• Émission de rayons-X en continuDétecteur• Acquisition du signal pendant 1/30 s (33 ms)À l’écran• Affichage de 30 images/s
  14. 14. Radioscopie pulséeTube radiogène• Émission pulsée de rayons-X• Fréquence des pulses réglables selon l’applicationDétecteur• Acquisition du signal pendant la durée d’un pulse (3 à 10 msec)• Plus le temps d’acquisition est court, meilleure est la résolutiontemporelleÀ l’écran• Taux de rafraîchissement des images cohérent avec la fréquence despulses.
  15. 15. RadioscopieAffichage30 i/s1/30 3/30 4/30 5/302/30secondesRadioscopie continueRadioscopie pulsée30 i/s30 pulses/sRX en fonction secondes15 i/s15 pulses/s
  16. 16. Acquisition• Comparable à la radiographie• Courant nettement plus élevé qu’en radioscopie (~200 à 600 mA)• Utilisé pour archiver des images ou séquences d’images avec ledossier patient, pour consultation ultérieureExposition unique• Séquence d’une seule acquisition, (radiographie)Exposition séquentielles (ciné)• Série d’expositions uniques une à la suite de l’autre.• Débit de dose très élevé!!• La dose par image est typiquement 10 x plus importante en cinéqu’en scopie!
  17. 17. Acquisition : alternative à la ciné• La ciné est à utiliser avec parcimonie!• Préconiser la radioscopie• Faire rejouer la dernière séquence de scopie• Enregistrer les séquences de scopie, lorsque possible• Si l’image doit être archivée, privilégier l’exposition unique• Toutefois, attention à l’intensité du pulse et sa durée (mAs)
  18. 18. Magnification• Le champ de vue (field of view FOV) maximal est défini par la taille dudétecteur• L’option de magnification (zoom) permet de réduire la taille du champde vue, ce qui a pour effet d’augmenter la résolution spatiale de larégion d’intérêt.6”9”avec mag. : 0.15 mm / pixel vs. sans mag. : 0.23 mm/pixelSource : IAEA Training Course on Radiation Protection for Doctors (non-radiologists, non-cardiologists) using Fluoroscopy,L04. Anatomy of Fluoroscopy & CT Fluoroscopy EquipmentAmplificateur de brillance
  19. 19. Magnification• L’option de magnification modifie faisceau radiatif• Amincissement du cône de radiation• Augmentation du débit de dose• Amplificateurs de brillance• Zoom optique• Le produit dose-surface demeure constant pour préserver la qualitéd’image• Le rapport des dose est donc :• Détecteurs plats• Zoom numérique• Le débit de dose tend à augmenter avec les détecteurs plats aussi,bien que la relation ne soit pas aussi évidente que pour leamplificateurs de brillance.( )( )222112FOVFOVDoseDose=
  20. 20. Collimation• Les lames définissent la forme et la dimension du faisceau RX• Réduit la zone exposée• Réduit la production de photons diffusés• Améliore le contrasteSans diffusion(facteur diffusé = 1)Avec diffusion(facteur diffusé = 4)Source : IAEA Radiation protection in cardiology, L 12: Examples of Good & Bad Radiation Protection Practice
  21. 21. Contrôle automatique de l’exposition• Optimisation des paramètres decharge (kV, mA, temps) selonl’épaisseur du patient• Le système s’ajuste selon laquantité de photons qui se sontrendus au détecteur de manièreà garder le rapport signal à bruitconstant• L’exposition prend fin lorsque ladose requise pour produire uneimage de qualité a été intégréepar le détecteurTube RXFaisceauprimaireTissusmousosAir PatientTableDétecteurDétecteurspour le CAESource : IAEA Radiation protection in radiology, L 6: X ray production
  22. 22. Contrôle automatique de l’exposition• En radioscopie continue, le système régule le voltage (kV) etl’intensité du courant (mA) du tube radiogène.• En radioscopie pulsée, le système peut ajuster la durée du pulse, sonintensité (mA) et le voltage (kV) du tube.• Le générateur modifie ces paramètres d’une façon prédéterminée,mais qui peut varier d’un modèle à l’autre.PatientmincePatientépaiskVpmA↓ dose↓ contraste↑ dose↑ contrastePréserve agressivement lecontrasteMaintient agressivement lefaible niveau de dose
  23. 23. QUALITÉ D’IMAGERésolutionBruitContrasteSource :IAEA, Radiation protection in cardiology L8 : Image quality in cardiac angiography
  24. 24. Résolution spatiale• La plus petite distance qu’il peuty avoir entre deux régions decontraste similaire sans qu’ellesne se fondent l’une dans l’autre.Facteur affectant la résolution• Dimension du point focal del’anode (région sur laquelle lesélectrons sont bombardés)• Distance entre l’objet et ledétecteurSource :IAEA, Radiation protection in cardiology L8 : Image quality in cardiac angiographyÀ partir de quelle fréquencespatiale (paires de lignes parmm) les trois lignes sontconfondues en une seule?
  25. 25. Résolution spatiale• Plus la zone de pénombre estlarge moins l’image est nette,moins la résolution spatiale estbonne.• ↓ taille du point focal• ↓ la pénombre, ↑ la résolution• ↓ la capacité du tube RX: tousles électrons sont bombardéssur une région plus petite del’anode.• ↓ la distance entre l’objet et ledétecteur• ↓ la pénombre, ↑ la résolutionSource :IAEA, Radiation protection in cardiology L8 : Image quality in cardiac angiographyPointfocalObjetOmbrePénombre
  26. 26. Résolution temporelle• Flou dû au mouvement• Contraction/relaxation d’un organe• Respiration• Mouvement du patient• Facteurs affectant la résolution temporelle• Durée d’exposition• Durée de la procédure• Pour obtenir un signal équivalent, si le temps d’exposition estraccourci, l’intensité du courant doit être augmentée. Ce qui requiertsouvent un point focal plus grand (perte de résolution spatiale).
  27. 27. Bruit• Incertitude ou imprécision sur le signalenregistré.• Certaines sources de bruits sont inhérentesau système d’imagerie, d’autres peuventêtre contrôlées :• Structure anatomiques : photons diffusés• Quantité de photons utilisés dans l’image• Réponse du détecteur au faisceau RX• Le niveau de bruit acceptable dépend de ceque l’on veut voir.BruitélevéBruitfaibleSource :IAEA, Radiation protection in cardiology L8 : Image quality in cardiac angiography
  28. 28. Bruit : photons diffusésSource :IAEA, Radiation protection in diagnostic and interventional radiology L7 : X Ray beamSource RXFaisceauprimairePatientGrilleDétecteur• photons déviés suite à une interaction• Augmente le bruit• Diminue le contraste• Augmente la dose au patient• Grille anti-diffusion :• intercepte les photons dont l’angled’incidence n’est pas adéquat, avantqu’ils n’atteignent le détecteur.• distance patient – détecteur petite• pour préserver l’amplitude du signal :↑ mAs  ↑ Dose• Non recommandé pour les enfants.Collimateur
  29. 29. Bruit : photons diffusésSource :IAEA, Radiation protection in diagnostic and interventional radiology L7 : X Ray beamSource RXFaisceauprimairePatientGrilleDétecteur• photons déviés suite à une interaction• Augmente le bruit• Diminue le contraste• Augmente la dose au patient• Collimateur :Limite le faisceau primaire↓ zone irradiée  ↓ les sources dediffuséCollimateur
  30. 30. Bruit : quantité de photons• Facteurs affectant la quantité dephotons utilisés dans l’image :• Temps d’exposition• Courant du tube « mA »• L’épaisseur du patient• La nature des tissus• Toutefois, pour un même « kV »,si le produit courant-temps (mAs)augmente, la dose augmenteraaussi.• Le niveau de bruit acceptabledépend de ce que l’on veut voir.Plus la quantité de photons estélevée, plus le rapport signalsur bruit sera élevé et plus laqualité d’image sera bonne.SignalBruit
  31. 31. Contraste• Capacité à distinguer deux régionsl’une de l’autre.• Différence relative de la densité optiquede deux régions d’une image.Facteurs affectant le contraste• Caractéristiques des tissus (densité,épaisseur, …)• Spectre en énergie des rayons X• Quantité de photons émis (mAs)• Bruit• …ContrasteélevéContrastefaibleSource :IAEA, Radiation protection in diagnostic and interventional radiology L8 : Factors affecting image quality
  32. 32. Contraste : effet du voltage (kV)• Le voltage du tube influence la qualité du faisceau :↑ kV  ↑ énergie cinétique des é  ↑ énergie des photons RX• Or, plus l’énergie des photons RX est élevée, plus leur pénétrabilitéest élevée, plus ils auront tendance à être détectés par le détecteur.• À des énergies très élevées, la différence entre l’atténuation des RXdes os et des tissus mou décroît et tous deux deviennent aussi radio-transparents l’un que l’autre.• Ainsi, il est possible de rehausser le contraste dans l’image ensélectionnant un « kV » plus bas.• Toutefois, il est préférable d’utiliser un « kV » élevé dans les régionsoù le contraste est élevé, par exemple dans la poitrine (os vs. air)
  33. 33. Contraste : effet du voltage (kV)On observe une diminution du contraste lorsque que le kV augmente,mais que la quantité de photons émis (mAs) demeure constante.60 kV - 50 mAs 70 kV - 50 mAs 80 kV - 50 mAsSource :IAEA, Radiation protection in diagnostic and interventional radiology L8 : Factors affecting image quality
  34. 34. Contraste : effet du « mAs »• Le produit courant « mA » - temps d’exposition, le « mAs »,influence la quantité de rayons X du faisceau :↑ mAs  ↑ é émis par la cathode  ↑ RX émis par l’anode• En augmentant la quantité de photons émis par le tuberadiogène, le signal reçu par le détecteur augmente, mais ladose aussi.• Plus le signal augmente, plus les différences relatives entredeux régions de l’image différente diminuent et moins lecontraste est bon.• Toutefois, plus le signal est faible, plus le niveau de bruit dansl’image prend de l’importance.
  35. 35. Contraste : effet du « mAs »Dans ces images, le noircissement est régit par le « mAs ». Plus le« mAs » est élevé, plus l’image est sombre et plus le contraste est faible.70 kV - 25 mAs 70 kV - 50 mAs 70 kV - 80 mAsSource IAEA, Radiation protection in diagnostic and interventional radiology L8 : Factors affecting image quality
  36. 36. Agents de contraste• Iode, baryum• Densité élevée• Permettent d’obtenir un bon contraste en l’absence de contrastenaturel.• En angiographie :• pour distinguer les vaisseaux sanguins des tissus mousenvironnants.• Voltage du tube radiogène typiquement de 60 à 125 kV
  37. 37. Qualité d’image• La dose, le contraste et le bruit sont interdépendantsBruitfaibleContrasteélevéDoseélevéeDosefaibleSource :IAEA, Radiation protection in cardiology L8 : Image quality in cardiac angiography
  38. 38. RésuméParamètre Qualité des images(à dose égale)Dose au patient(à qualité égale)↑ Épaisseur du patient ↓ qualité de l’image ↑↑ Courant (mA) ↑ contraste, ↓ bruit ↑↑ Temps d’exposition parimage↓ résolution temporelle ↑↑ Voltage (kVp) ↓ contraste (ça dépendde ce que l’on veut voir)↓↑ Magnification ↑ résolution, ↑ contraste ↑↑ Ouverture des collimateurs ↓ contraste, ↑ bruit ↑ zone exposée↑ Distance patient-détecteur ↓ résolution ↑Tableau : Comportement général de la qualité des images et de la doseau patient en fonction des divers paramètres de l’appareil d’angiographie.
  39. 39. Résumé• La qualité des images en radioscopie ou en angiographie n’est pasassurée.• Certains paramètres – kVp, mA, mAs – sont optimisés par le modulede contrôle automatique de l’exposition (CAE)• Il faut garder les autres en tête pour continuer le processusd’optimisation.• La qualité des images dépend aussi énormément de ce qu’ellesservent à représenter.
  40. 40. MERCI DE VOTREATTENTION

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