Scanner

Principes et techniquesLaurent Hermoye

Service de radiologie

Machine

IRM / CT

Imagerie tomographique

Atténuation du faisceau

Diminution du nombre des photons

μ = σ + τ

xeNN μ−= .0

Atténuation du faisceau

Probabilité pour un photon de subir une interaction Compton /unité de matière traversée : Probabilité pour un photon de subir un effet photoélectrique /unité de matière traversée :

Ek ρσ =

3

3.

EZCk i

ρτ =

Atténuation du faisceau

Contraste

Atténuation

Profil d’atténuationLe profil d’atténuation ou projection correspond à l’ensemble des signaux électriques fourni par la totalité des détecteurs pour un angle de rotation donné. Un mouvement de rotation autour du grand axe de l’objet à examiner permet d’enregistrer une série de profils d’atténuation résultants de la traversée de la même coupe selon différents angles de rotation

Reconstruction

On reconstruit la coupe à partir de ses projections

Transformée de FourierTransformée de Radon

Conditions

Le rotor doit nécessairement effectuer une rotation supérieure à 180° autour du patientLe nombre d’échantillons (profils de transmission) acquis doit être supérieur au carré de la matrice de reconstruction

Unités Hounsfield

aw

wHμμμμ−−

=1000

Rotor / stator

LienAnneau de glissementSystème électro-optique

Générateur

Haute tension: 80 à 140 kVCourant haute tension: 10 à 500 mAPuissance: 50 à 60 kWTube

Contraintes thermiquesEvacuation de la chaleurForce centrifuge

Mise en forme du faisceau

FiltrageLame métallique de faible épaisseurSpectre étroit

CollimationForme du faisceauFonction de l’épaisseur de coupe

Collimation

Collimation primaireForme du faisceauFonction de l’épaisseur de coupe

Collimation secondaire

Limite l’effet du rayonnement diffusé

Détecteurs

Chambre d’ionisation au XénonDétecteurs solides

Inclinaison du statif

+/- 25°Sélection du plan de coupePas utile en spiralé

Acquisition séquentielle

Une coupe est acquise à chaque rotation de 360 °, dans un plan de coupe fixele lit avance pour réaliser la coupe suivante. Cette procédure est répétée coupe après coupe

Acquisition spiraléeAcquisition hélicoïdaleRotation continue du tube autour du lit en déplacement pendant l’acquisition des données brutes.Tube décrit autour du patient une figure géométrique à type d’hélice.0,5 seconde/360°

Monocoupe / multicoupe

Multicoupes

40 x .625 mm, 32 x 1.23 mm, 16 x 2.5 mm

Effet de cône

Géométrie des détecteurs

Position des coupes

Mode « radio »

Paramètres d’acquisitionCollimation primaire

largeur de collimation du faisceau de rayons X à la sortie du tube.épaisseur de coupeNombre de coupes

Temps de rotationRésolution temporelleJusqu’à 0,4 s / rotation

Paramètres d’acquisitionPitch

Rapport: pas de l’hélice / collimation du faisceau

Paramètres de reconstruction

Matrice de reconstructionFiltrage des profils d’atténuation recueillis

F élevée -> filtres « durs » -> limites anatomiques (+ bruit)F basse -> filtres « mous » -> structures à faible écart de densité

Paramètres de reconstruction

Algorithme d’interpolationMode spiralé180° linéaire ou 360° linéaire

Paramètres de reconstruction

Algorithme d’interpolationMulti-barettes

Paramètres de reconstruction

Incrément de reconstructionchevauchement

Paramètres de reconstruction

Mode de reconstructionPartielComplet

SNR et contraste

SNR et contraste

Algorithme d’interpolationSNR (360° linéaire) = 1,4 * SNR (180°linéaire)

SNR et contraste

Pitch

Résolution spatiale

Résolution de la coupeMatriceFOV

Résolution spatialeEpaisseur de coupe

Séquentiel / spiraléPitchÉpaisseur (linéaire 360°) > épaisseur (linéaire 180°)Monocoupe / multicoupe

Optimisation

OptimisationEpaisseur de coupeDoseBruit

CT: Artefacts

Différence entreLe nombre CT de l’image reconstruiteLe coefficient d’atténuation de l’objet

Image reconstruite a partir d’environ 1.000.000 de mesures

Si incohérence artefact

Artefacts: 4 groupesPhysique

Durcissement du faisceauVolume partielManque de photonsSous-échantillonage

PatientMétalMouvementProjections incomplètes

Artefacts: 4 groupes

ScannerRing artifact

Mode hélicoïdal et multi-coupesArtefact hélicoïdalCone beam

Durcissement du faisceau

Photons de basse énergie + absorbés que photons de haute énergieEnergie moyenne du faisceau augmente après passage dans un objet

Cupping artifact

« Streaking artifact » et bandes sombres

Sections hétérogènesEntre 2 objets densePas le même durcissement si le faisceau passe par 1 des objets que par les 2

Diminution du durcissement

FiltrageUn matériau métallique élimine les basses énergiesUn filtre en « nœud papillon » durcit plus les bords du faisceau, qui vont passer dans les parties les – épaisses du patient

Diminution du durcissement

CalibrationFantômeCorrection

Diminution du durcissement

Correction softwareInterface avec les osAlgorithme itératif

Volume partiel

Quand plusieurs tissus sont présents au sein d’un voxelMoyenne dans ce voxelArtefacts

Volume partiel

Volume partiel

Diminution de l’épaisseur de coupe

Manque de photons

Atténuation + forte quand le faisceau est horizontalProjections bruitées« streaking artifact »

Modulation du courant

Filtrage adaptatif

Filtrage adaptatif multi-dimensionnel

Diminution de l’artefact

Sous-échantillonage

Nombre de projections utilisées pour reconstruire l’imageSi trop faible aliasing

Artefact métallique

Densité du métal au-delà de la gamme admise

Correction software

Technique d’interpolation pour remplacer les valeurs extrêmes

Mouvements volontaires

Information au patientConfortCalesEventuellement sédationPlus facile qu’en IRM parce que scans courts

Mouvement respiratoire

Scans courtsApnée

Diminution des artefacts

Overscan360°+10°Moyenne

Underscan180°Perte de résolution spatiale

Correction software

On diminue le poids du début et de la fin de la rotation

Synchronisation cardiaque

Artefacts du au mouvements du cœurImages cardiaques de mauvaise qualitéRisque de confondre avec des lésions dans les structures environnantesOn utilise seulement les données acquises pendant une fraction du cycle cardiaque

Projection incomplète

Quand une structure (bras, tuyau, …) se trouve en-dehors du FOVApparaît sur certaines projections

Ring artifact

1 détecteur est mal calibréDétection automatique

Mode hélicoïdal

L’algorithme de reconstruction peut créer des artefacts

Artefact hélicoïdal

Variation rapide de l’anatomie dans la direction z

Artefact hélicoïdal

Artefact hélicoïdal sur scanner multi-barrettes

Plusieurs rangées de détecteur passent par le plan de reconstruction pendant les rotationsInterpolation par filtre en ZPitch non entier (3,5)

Cone beam artifact

Sur scanner multi-barettes

Cone beam artifact

Correction

Algorithme de reconstruction corrige l’effet de cône

4 16 16 + corr

CT: Applications avancées

Perfusion

Reconstruction 3D

PET/CT

CT cardiaque

Real-time CT

Virtual colonography

RéférencesBases physiques des rayons X - CERF 2001 -Solacroup, Boyer, Le Marec, Schouman, Claeys(www.imagemed.org)Enseignement du DES Radiologie et Imagerie Médicale - Scanographie à rayons X – Itzcovitz, Dormont (www.imagemed.org)J.F. Barrett, N. Keat. Artifacts in CT: recognition and avoidance. RadioGraphics 2004; 24:1679–1691

Radiologie conventionnelle

Onde électromagnétique

Champ électrique et champ magnétique variablesPériode T – fréquence f = 1/TEnergie = h.f (keV)

Le spectre électromagnétique

Production

Electrons obtenus en chauffant un filamentAccélérés par une tension entre la cathode et l’anodeBombardement de l’anode avec électrons de haute énergie

Bremsstrahlung

Trajectoire des e- modifiée par le noyauPerte d’énergie cinétiqueProduction d’un rayon XRayonnement de freinage

Bremsstrahlung

Rayonnement discontinu

« Collision » d’un e- incident avec un e- de la cibleSi interaction avec e- d’une couche profonde réagencement électroniqueÉmission de photonsRayonnement de fluorescence

Rayonnement discontinu

TubeAmpoule

Enceinte où règne le videVerre – métal - céramique

GaineCylindre de métal doublé de plombProtection mécanique et électriqueÉvacuation de la chaleurProtection contre les rayons X de fuite

Alimentation du tubeCourant de chauffage

T° du filament2 – 8 A2 – 15 V

Courant haute tension ( luminosité de l'image)Entre la cathode et l’anode3 – 5 mA pour la scopie10 – 1000 mA pour la radio

Haute tension ( contraste de l’image)Entre la cathode et l’anode20 à 40 kV pour la mammographie50 à 150 kV pour la radio conventionnelle

Effet ComptonPhoton incident d’énergie EInteragit avec un électron d’une couche périphérique, lui transfère une énergie Eale reste de l'énergie Es est emportée sous la forme d'un photon diffusé appelé photon Compton.

Effet photoélectrique

Arrachement d'un électron de la couche profonde d'un atome.Energie du photon incident

Energie de liaisonEnergie cinétique

Atténuation du faisceau

Diminution du nombre des photons

μ = σ + τ

xeNN μ−= .0

Atténuation du faisceau

Probabilité pour un photon de subir une interaction Compton /unité de matière traversée : Probabilité pour un photon de subir un effet photoélectrique /unité de matière traversée :

Ek ρσ =

3

3.

EZCk i

ρτ =

Atténuation du faisceau

Contraste

Rayonnement diffusé

Brouillent l’image radianteDiminuent le contrasteDépend de:

Section du faisceauEpaisseur traverséeTensionNuméro atomique

Filtrage

Un filtre doit supprimer les rayons basse énergie

Choix des paramètresTension (kV)

Augmentation améliore la pénétration des rayons Xla fluence de l'image radiantequalité de l'image

I et tDensité photographique est proportionnelle à Itt doit être le plus court possible

Réglage 3 points: choix des kV, t, et mARéglage 2 points: choix des kV et des mAsRéglage 1 point: choix des kV

Choix des paramètresBasse tension pour un contrast marqué: recherche de corps étrangers dans les parties molles, mammographie, clichés du squeletteHaute tension pour un contraste comprimé (cliché pulmonaire avec effacement des côtes, pénétration du médiastin, examens digestifs barytés)

Densité radiologiques4 densités radiologiques fondamentales:

GazGraisseEauMétal

Agents de contraste:sulfate de baryum (Z=56) non absorbé par la muqueuse digestive pour l'opacification du tube digestifproduits iodés hydrosolubles injectables pour l'opacification des vaisseaux, des espaces sous-arachnoïdiens, des cavités urinairesles huiles iodées pour la lymphographie.

Film

Base transparente

Couche de plastiqueSupport à l’émulsion

Flexible mais solideRésiste aux distorsions dues à la chaleur du processus de développementMatériau optique uniforme et transparent

Polyester

ÉmulsionSensible aux radiationsGélatineBromure d’argent

Grains d’environ 1μm suspendus dans la gélatineRéseau cristallin cubiqueImperfections ions Ag+ libres

ExpositionÉnergie lors de l’absorption d’un photonLibère un e- dans le cristalE- bouge dans le cristal jusqu’à ce qu’il soit trappé dans une imperfectionIon Ag+ attiré par l’e-

Ag+ + e- Ag (noir)Ag attirent des e- et des Ag+

La formation d’Ag continue tant que le film est exposé

Développement

RévélationFixationLavageSéchage

ImageReprésente la distribution spatiale des rayons X après le passage à travers le corpsTissus plus dense (os)

Absorbe plusFoncé en terme de flux de rayon X

Tissus moins dense (poumons)Absorbe moinsClair en terme de flux de rayon X

NégatifSur le film

Région peu exposée apparaît foncée (opacité)Région fort exposée apparaît sombre (clarté)

Écran renforçateur

Couche de cristaux des sels inorganiquesÉmet de lumière par fluorescence quand elle est excitée par des rayons XSans écran, seuls 5% des rayons X incidents vont réagir avec l’émulsionChaque rayon X incident crée plusieurs photons

Écran renforçateur

Tungstate de calcium ou terres raresMatcher fréquences de l’ampli et du filmRapidité

Cassette

Film + écranFace antérieure transparente aux rayons XFace postérieure en plombGrille limite le rayonnement diffusé

Contraste et latitude

Faisceau de rayons XPuissance = K.I.Z.U2

f + élevée traverse mieux les tissus: rayonnement durDivergence intensité rayonnée inversement proportionnelle à d2

Agrandissement

Rapport d’agrandissement M = l/(l-h)M < 2Téléradiographie: M=1

Déformation

Confusion des plans

Flou géométrique

Flou cinétique

Film noir ou très sombre

VoileÉtanchéité à la lumière de la chambre noireÉtanchéité de la cassette (partie du film)Exposition préalable aux rayons XExpositions multiples

Trop forte exposition lors de l’acquisition

Manque de contraste: film pâle

Tension règle le contrasteSi tension augmente contraste diminueTension trop élevée

Rayonnement diffuséCombinaison sous-développement et surexposition

Artéfacts liés à la grille

Si la grille est fixe et ses lamelles sont épaissesGrille mobileGrille à lamelles fines

Objets surajoutésPatient

Table

Artefacts liés à l’écran

rayures, craquelurespetites taches, points ou traits blancs sur le film radiographiquemême endroit sur le film à chaque fois que la même cassette est utilisée

Artefacts liés au film

Film plié

Artefacts liés au filmElectricité statique

Chaleur

Digital / analogique

Source [2]

DéfinitionsBit = 0 ou 11 nombre binaire = ensemble de bits (par exemple 0111)1 byte = 8 bits (par exemple 01011100)L’image numérique est

Échantillonée : matrice de pixels (par ex. 512 * 512)Quantifiée : l’intensité dans chaque pixel ne peut prendre qu’un nombre fini de valeurs (par exemple 0, 1, 2, …, 254, 255)Codeé : la valeur de l’intensité est représenté par un nombre binaire ( par exemple 4 = 00000100)

Voxel = petit volume du corps du patient correspondant àun pixel

Radiographie numérique

Triple économieDoseFinancièreTemps

Radiographie numérique

Détecteurs numériques

Détecteurs à balayageTube intensificateur d’image (caméra)Ecran à mémoire (faisceau laser)Tambour au Sélénium (barrette d’électromètre)

Détecteurs plans matricielsSignal détecté point par point sur une matrice active

Tube intensificateur d’imageAnnées 60: développement de la radioscopie téléviséeTransforme l’image radiante en un signal lumineux puis en signal vidéo qui sera numérisé

Amplificateur de luminance

Taille de l’écran primaireCompromis entre:

Champ d’explorationEncombrementRésolution spatiale

Jusqu’à 57 cmTaille des grains luminescents

Caméra de télévisionNombre de lignes de balayage de l’image lumineuse (1249 lignes)Nombre l’éléments images transmis par seconde (25 MHz)Compromis

Rapport signal/bruitRésolution spatiale

Point faible de la chaîneCaméras CCD

Tube intensificateur d’imageIl fait appel au couple amplificateur de luminance –tube analyseur d’image ou caméra CCDIl est caractérisé principalement par la taille maximale du champ de l’amplificateurIl permet des acquisitions scopiques et graphiques en temps réel et dynamiquesSa résolution spatiale est limitée notamment à grand champ et enpériphérieSes principales indications sont les examens avec contraste (opacifications digestives et urinaires, arthrographies, artériographies) et la radiologie interventionnelleIl sera remplacé à terme par les détecteurs-plan dynamiques.

Les écrans à mémoireComputed radiography (CR)cassette contient un écran dit "écran à mémoire" qui remplace le couple film-écran traditionnel et va recueillir une image latente.

Formation de l’imageMolécules du cristal excitées par rayon XFluorescence : l'émission lumineuse est instantanéePhosphorescence: l'émission lumineuse est rémanente

« écrans au phosphore »

Ε

Photostimulation

Ε

Laser

En différéBalayage (environ 30 secondes) + manipulationRésolution spatiale limitée par diamètre du faisceauBonne résolution en contraste: efficacité de détection quantique proche de 100%

Réponse à l’expositionLinéaireGrande latitudeCalibrageStandardisation de la qualité d'image

Les écrans à mémoireIls permettent une acquisition numérique à l’aide de cassettes mobiles, de taille identique à celles des cassettes analogiques et utilisables sur toutes les tables de radiologie ainsi qu’au lit du maladeIls sont composés d’une structure phospholuminescentepermettant d’obtenir une image latente lors de l’exposition aux RX.Le recueil de l’information est obtenu dans un deuxième temps par photostimulation au laser au sein d’une unité de lectureIls couvrent toutes les indications de la radiologie conventionnelle à l’exception des acquisitions dynamiques.

Tambours au séléniumSélénium est un photo-semi-conducteur: L'exposition aux rayons X entraîne la formation de paires électrons-trouscharges + déposées sur le sélénium.électrons-trous vont neutraliser partiellement les charges + Charges résiduelles = image latente

Lecture

Image obtenue 10 s après exposition

Détecteurs plans matriciels

Pas de balayageSystème de conversion à disposition matricielle

Conversion électrique directeConversion indirecte lumineuse

Conversion électrique directeCouche de sélénium amorphe: assure la conversion des photons X en électrons (temps de latence)Matrice active: collecte les chargeSystème de lecture: collecte, amplifie et numérise le signal

Conversion indirecte lumineuseCouple scintillateur-photodiode

La couche de scintillation génère sous l’action des rayons X desphotons lumineuxLa matrice active, composée de photodiodes, transforme le signaloptique en un signal électriquePas de rémanence résolution temporelle élevée

Laser Photodiode

Sonnette

Conversion indirecte lumineuse

Caméra CCDCCD = Charge Coupled Device

Matrice de photosites qui produisent des électrons quand il reçoivent des photons

L’écran de scintillation est relié à plusieurs caméras CCD

Détecteurs plans matricielsune architecture certes statique mais beaucoup moins encombrante que les amplificateursrésolution spatiale bien supérieure et constante en tout point de l’imagegrande efficacité de détection quantique excellente résolution en contraste à faible doseremplaceront à terme le tube intensificateurd’image et le couple film-écran.

Traitement de l’image

Filtre spatial

Filtre spatialBasses fréquences spatiales = contrasteHautes fréquences spatiales = détailsFiltre supprime les basses/hautes fréquences spatiales

AffichageRéglage du contraste à l’écran par le choix du centre et de la largeur de la fenêtre

Affichage

DICOM

MAGN

ETOM

Information Management System

Query/Retrieve, Patient & Study ManagementQuery/Retrieve, Patient & Study Management

Query/RetrieveQuery/RetrieveResults ManagementResults Management

Print ManagementPrint Management

LiteBox

Media ExchangeMedia Exchange

DICOM

Par image:1 fichier image + header

Standard mondialRéussite de la standardisation ???

Header DICOM0002,0000,File Meta Elements Group Len=1940002,0002,Media Storage SOP Class UID=1.2.840.10008.5.1.4.1.1.1.0002,0003,Media Storage SOP Inst

UID=1.3.46.670589.26.400036.4.20050126.94057.2599.0.0008,0008,Image Type=PRIMARY0008,0016,SOP Class UID=1.2.840.10008.5.1.4.1.1.1.0008,0018,SOP Instance UID=1.3.46.670589.26.400036.4.20050126.94057.2599.0.0008,0020,Study Date=200501260008,0030,Study Time=0940280008,0050,Accession Number=3378740008,0060,Modality=CR0008,0070,Manufacturer=Philips Medical Systems 0008,0080,Institution Name=U.C.L St-Luc Bruxelles0008,0090,Referring Physician's Name=PONCE.Alain.18626077140..Dr

Header DICOM0008,1010,Station Name=didi1 0008,0100,Code Value=THORFP0008,0104,Code Meaning=Thorax face-profil0008,1040,Institutional Dept. Name=Radiologie0008,1090,Manufacturer's Model Name=digital DIAGNOST0010,0010,Patient's Name=ANCI.JACQUES0010,0020,Patient ID=L75121S 0010,0030,Patient Date of Birth=194204100010,0040,Patient Sex=M 0018,0015,Body Part Examined=CHEST 0018,0060,KVP [Peak KV]=117.000 0018,1000,Device Serial Number=04.00.036 0018,1020,Software Version=Version 1.4 0018,1110,Distance Source to Detector [mm]=1800.0000018,1150,Exposure Time [ms]=9

Header DICOM0018,1152,Acquisition Device Processing Description=82420018,1160,Filter Type=0mmAl 0018,1164,Imager Pixel Spacing=0.143\0.143 0018,1190,Focal Spot[s]=0.000 0018,1200,Date of Last Calibration=200501210018,5020,Processing Function=6000.16929.0.2147.2295.10050.30000.30000.300000018,5101,View Position=PA0018,6000,Sensitivity=320.000 0020,000D,Study Instance

UID=1.2.250.1.38.2.1.12.5504139343233.20050126093645.68975023.0020,000E,Series Instance UID=1.3.46.670589.26.400036.2.20050126.94026.2599.0020,0010,Study ID=L75121S20050126 0020,0011,Series Number=10020,0020,Patient Orientation=L\F 0028,0002,Samples Per Pixel=10028,0004,Photometric Interpretation=MONOCHROME1

Header DICOM0028,0010,Rows=24480028,0011,Columns=25250028,0100,Bits Allocated=160028,1050,Window Center=15000.000 0028,1051,Window Width=30000.000 0038,0500,?=HOSPITALISE 0040,0254,?=Thorax face-profil

Incidence

Incidence de face

Incidence oblique

Incidence descendante

RadioscopieRadiographie <-> radioscopiePhotographie <-> cinéma

1. Observer des mouvements d'organes internes (trachée) et/ou le cheminement d'un produit de contraste (déglutition, transit baryté ...)

2. Assister un geste d'intervention sur un patient (Radiologie interventionnelle : cathétérisme, dilatation d'une sténose, ponction assistée)

3. Obtenir une image instantanément lorsque le temps est un facteurimportant (réduction de fracture, visualisation du produit de contraste lors de myélographie)

4. Aide au positionnement

RadioscopieIntensité du faisceau de rayons X est bien plus réduite (environ100 fois plus faible) mais est étalée sur une plus grande durée

Pour le patient et le personnelPour le tube radiogène

Diminution de la qualité de l’imageAugmentation significative du bruit, qui s'observe par la scintillation et la granularité de l'image.

Contraste inversé par rapport à une radioLes zones lumineuses de la fenêtre de sortie correspondent à desplages de rayons X

Radiologie interventionnelle

Chimio-embolisationTraitement RFAlcoolisationEmbolisation des anomalies vasculairesAnévrysmes cérébraux

RéférencesBases physiques des rayons X - CERF 2001 -Solacroup, Boyer, Le Marec, Schouman Claeys (www.imagemed.org)