Principes et Applications du Scanner Médical

Le Scanner : Principes, Évolution et Applications

Le scanner, ou tomodensitométrie (TDM), est une technique d'imagerie médicale qui produit des images en coupe d'un organe, offrant une précision accrue par rapport à la radiographie ou l'échographie, notamment pour la localisation et l'étendue des lésions.

Histoire et Évolution des Scanners

• 1917 : Radon démontre la possibilité mathématique de reconstruire des formes 2D/3D à partir de projections multiples.

• 1971 : Premières images TDM.

• 1972 : Hounsfield développe le premier scanner.

• 1979 : Hounsfield et Cormack reçoivent le Prix Nobel de Médecine.

• 1988 : Apparition des scanners à rotation continue.

Évolution de la performance : 1971 (80 images en 13 minutes) → 2002 (512 images en 0,5 seconde).

Qu'est-ce qu'un Scanner ?

Le scanner est un examen qui fournit des images en coupe d'un organe. Il est notamment utilisé pour la différenciation des tissus mous (90% des examens actuels), avec un contraste 10 fois supérieur à la radiologie conventionnelle, et pour une localisation précise grâce à la tomographie.

Éléments Technologiques d'un Scanner

Une installation de scanner comprend :

• Une table d'examen.

• Un générateur :

  • Alimente le tube à Rayons X.

  • Fournit une haute tension continue (80-140 KV) et un milliampérage constant (50-500 mA).

  • Puissance totale : 50 à 60 kW.

• Un tube à Rayons X :

  • Extrêmement performant, capable d'absorber de fortes contraintes thermiques.

  • Dispose d'une anode tournante, double foyer (0,5-1,5 mm), foyer flottant à émission continue.

• Des collimateurs :

  • Collimation primaire (en aval de la filtration) : calibre le faisceau et limite l'irradiation inutile.

• Des détecteurs :

  • Transforment les photons X en signal électrique (scintillateurs/photodiodes, cristaux, céramiques).

  • Le nombre de barrettes définit le nombre de coupes par rotation (ex: 1 barette = 1 coupe, multibarettes = plusieurs coupes).

  • Types : matriciels (même largeur), asymétriques (largeur croissante), symétriques.

• Un système d'acquisition de données (DAS).

• Un convertisseur Analogique Numérique (CAN) : transforme le signal électrique en données informatiques binaires.

• Un reconstructeur d'images.

• Un poste de commande.

Formation de l'Image

Atténuation des Rayons X

Lorsqu'un faisceau de Rayons X traverse la matière, il subit une atténuation qui dépend de la densité électronique. La relation est donnée par :

$

Où est l'intensité incidente, l'intensité émergente, le coefficient d'atténuation et l'épaisseur traversée.

L'atténuation mesurée par un détecteur est une valeur moyenne des différentes structures traversées. Le tube à RX émet un faisceau en éventail qui couvre la totalité des détecteurs.

Reconstruction d'Image

Un mouvement de rotation autour de l'objet permet d'enregistrer une série de profils d'atténuation. La théorie de Radon permet de reconstituer un objet à partir de ces projections.

Une image numérique est une matrice de pixels (x,y), où chaque pixel correspond à une valeur de , exprimée en Unités Hounsfield (UH). La référence est l'eau = 0 UH.

Le fenêtrage est essentiel pour améliorer le contraste, car l'œil humain ne distingue qu'un nombre limité de niveaux de gris. Il s'agit de sélectionner une largeur de fenêtre (WW) et un centre (WL) adaptés au tissu étudié.

Techniques de Reconstruction

1. Méthodes Algébriques (itératives) : Calculs simples réitérés jusqu'à la solution définitive. Inconvénient : complexes et lentes pour les grandes matrices.

2. Méthodes Analytiques (rétroprojection simple par transformée de Fourier) :

   • Basé sur la théorie de Joseph Fourier : tout signal peut être décomposé en fonctions trigonométriques.

   • Les profils d'atténuation sont transformés en gamme de fréquences.

   • Les basses fréquences (centre) donnent l'information globale (contraste).

   • Les hautes fréquences (périphérie) donnent les détails.

   • Une transformation de Fourier inverse permet de reconstituer l'image.

   • Pour réduire le flou, on utilise le filtrage :

     • Filtre dur : privilégie les hautes fréquences (os, résolution spatiale).

     • Filtre mou : privilégie les basses fréquences (tissus mous, résolution en contraste).

   • La rétroprojection filtrée combine la rétroprojection simple et la convolution/filtrage pour améliorer la qualité d'image.

Modes d'Acquisition

Le placement est guidé par un topogramme (image radiologique de face/profil).

1. Mode Séquentiel (ou Incrémental) :

   • La table est fixe. L'ensemble tube/détecteurs tourne pour acquérir une coupe.

   • Le lit d'examen se déplace après chaque coupe.

   • Avantages : coupes nettes.

   • Inconvénients : examen lent.

   • Applications : TDM interventionnelle, coupes pulmonaires fines.

2. Mode Spiralé (ou Hélicoïdal ou Volumique) :

   • L'ensemble tube/détecteurs tourne de façon continue avec déplacement simultané et constant de la table.

   • Permet l'acquisition d'un volume.

   • Le Pitch (pas de l'hélice) est le rapport entre le déplacement de la table pour 1 tour de tube et l'épaisseur de coupe.

     • Si Pitch > 1 : spirale étirée, acquisition rapide, dose diminuée, volume plus grand, signal/bruit moins bon.

     • Si Pitch < 1 : spirale chevauchée, temps d'acquisition plus long, améliore le signal/bruit.

     • Si Pitch = 1 : spirale jointive.

   • Nécessite un algorithme d'interpolation pour reconstruire les images planes à partir des données volumiques.

   • Avantages : rapidité d'acquisition, diminution des artéfacts de mouvement, post-traitement volumique, possibilité de modifier la coupe.

Paramètres d'Acquisition

• Tension (KV) : 80 à 140 KV. Influence la pénétration du faisceau et le débit de photons. Adaptée à l'épaisseur du patient et au rapport Signal/Bruit (S/B).

• Charge (mAs) : Quantité de Rayons X. Influence la dose et le rapport S/B. Modulation automatique des mAs pour réduire la dose en fonction de l'anatomie.

• Champ de vue (FOV - Field Of View) : Déterminé par l'ouverture des collimateurs. Toujours adapté à la zone à reconstruire.

Paramètres de Reconstruction

• Incrément de reconstruction : Distance entre les centres de deux coupes reconstruites. Souvent 50% de l'épaisseur de coupe.

• Filtre de reconstruction :

  • Filtre mou : pour les parties molles.

  • Filtre dur : pour les os, poumons.

• Fenêtre : Pré-programmable et modifiable en temps réel.

Qualité et Traitement d'Image

• Signal sur bruit : Dépend du nombre et de l'énergie des photons, des filtres et du rendement des détecteurs.

• Résolution spatiale : Taille du plus petit objet visible (exprimée en paires de lignes/cm).

• Résolution en contraste (ou en densité) : Capacité à différencier des structures avec de faibles différences de densité.

• Résolution temporelle : Durée entre la première et la dernière donnée utilisée pour reconstruire l'image.

Artéfacts

Les artéfacts sont des altérations de l'image nuisibles à l'interprétation.

• Artéfacts de mouvements : Dédoublement des contours.

  • Réduction : coopération du patient, contention, apnée, pitch élevé, synchronisation cardiaque.

• Artéfact métallique : Provoque une forte variation de densité, similaire au durcissement de faisceau.

• Artéfact de bord de champ : Zone hyperdense si le corps sort du champ de mesure.

• Artéfact de durcissement de faisceau : Rencontré avec des structures très denses.

  • Réduction : diminuer l'épaisseur de coupe, augmenter les KV.

• Effet de volume partiel : Apparaît quand des structures de densité différente sont dans un même voxel.

  • Réduction : coupes fines, incrément faible.

• Insuffisance de photons : Bruit et artéfacts en bande.

  • Réduction : augmenter les KV et/ou mA.

Traitement de l'Image

Après acquisition volumique, plusieurs reconstructions sont possibles :

• MPR : Multiplanar Reconstruction.

• MIP : Maximal Intensity Projection (pour les vaisseaux).

• MinMIP : Minimal Intensity Projection (pour les bronches).

• SR : Rendu de surface.

• VR : Rendu de volume (image 3D).

• Endoscopie Virtuelle.

En Pratique : Substances de Contraste et Procédure

Substances de Contraste

• Iode : Injecté par voie veineuse, avec un délai calculé pour cibler les temps artériel, parenchymateux ou veineux.

• Baryte : Fortement diluée (pour le tube digestif).

• Eau : Contraste naturel de la paroi du tube digestif.

• Gel gastrique : Pour baliser l'œsophage.

Le médecin prescrit le produit de contraste, la dose et le protocole d'examen.

Procédure de l'Examen

1. Accueil : Vérification d'identité.

2. Interrogatoire : Allergies, fonction rénale (urée, créatinine), diabète (arrêt des biguanides).

3. Préparation : Pose de voie veineuse, coloscanner, arthrographie, etc.

4. Explication : Pour assurer la coopération du patient.

5. En cas d'allergie : Administration d'histaminiques par le médecin.

6. Préparation de la salle : Décontamination, injecteur, table.

7. Installation du patient : Confort et explication.