FC 16 - Bases Physiques de l'Imagerie Médicale

Bases Physiques de l'Imagerie Médicale

L'imagerie médicale est un domaine essentiel qui utilise diverses modalités pour visualiser l'intérieur du corps humain, permettant le diagnostic, le suivi et parfois le traitement de pathologies. Ce cours, dispensé par le Pr. Huglo dans le cadre du BMCP, explore les bases physiques de ces techniques.

Objectifs d'Apprentissage

• Comprendre le fonctionnement de la radiologie standard et du scanner.

• Connaître les principes de formation et de traitement des images en scanner.

• Maîtriser les principes de prescription de la tomodensitométrie (TDM) et des produits de contraste iodés.

• Identifier les principales indications cliniques et les limites de la radiologie.

L'Imagerie Médicale

L'imagerie médicale est une représentation visuelle, réelle ou imaginaire, à caractère médical, qui se traduit par un signal.

• En 2D (planaire) : exemple, la radiologie du thorax.

• En 3D (en coupe) : exemple, le scanner du thorax.

Elle sert à donner une trace, notamment en profondeur, et nécessite des choix éclairés en fonction du patient.

Les Quatre Modalités Principales en Imagerie Médicale

Ces modalités sont plus complémentaires que concurrentes.

L'imagerie médicale explore principalement le patient vivant en profondeur, contrairement à d'autres spécialités (dermatologie, ophtalmologie, endoscopie) qui examinent la partie superficielle des tissus.

La Demande d'Examen

Un examen d'imagerie médicale doit toujours avoir une raison d'être et être justifié. Le clinicien ne "prescrit" pas l'examen ; il fait une demande à un expert (radiologue ou médecin nucléaire) qui, lui, décide de la pertinence et prescrit l'examen.

Éléments Essentiels d'une Demande d'Examen

• Justification de l'examen :

  • Historique de la maladie.

  • Question clinique précise : "Est-ce que l'examen peut apporter son aide ?", "Est-ce que cela va changer la prise en charge ?".

• Informations Patient :

  • Données administratives : nom, prénom, date de naissance.

  • Éléments médicaux : traitements en cours, allergies, grossesse.

  • Urgence de l'examen.

  • Mentions d'examens similaires antérieurs pour comparaison.

• Coordonnées du demandeur pour discussion si nécessaire.

Le Compte-Rendu d'Examen

Le radiologue ou médecin nucléaire rédige un compte-rendu suite à l'examen, lequel doit contenir des éléments réglementaires et cliniques.

Contenu du Compte-Rendu

• Identification du patient (nom, prénom, date de naissance).

• Type d'examen réalisé (modalité, machine).

• Motif de l'examen.

• Données dosimétriques (si irradiation).

• Description complète et détaillée des résultats.

• Conclusion synthétique répondant à la question posée.

• Hypothèses diagnostiques.

• Propositions de prise en charge éventuelles.

Le compte-rendu est le plus souvent communiqué au médecin demandeur pour la suite de la prise en charge, mais peut aussi être fourni directement au patient.

Radiologie Standard : Bases Physiques

Origine et Principe

La radiologie est l'exploration des structures internes du corps basée sur la différence d'atténuation des rayons X lors de leur transmission à travers les tissus. Découverte par W. Roentgen en 1895.

Formation des Rayons X

1. Un tube à rayons X est une ampoule sous vide.

2. Une cathode (filament de tungstène) est chauffée, libérant des électrons.VD X

3. Ces électrons sont accélérés vers une anode (cible métallique) par une différence de potentiel (U).

4. En frappant l'anode, les électrons génèrent des rayons X (essentiellement des rayons X de freinage et quelques raies de fluorescence).

Le flux total de rayons X () est proportionnel au nombre d'électrons libérés (intensité I), à la densité du matériau de l'anode (Z), et au carré de la différence de potentiel (U).

• : Facteur de proportionnalité (constante).

• : Intensité du courant (mA), qui détermine le nombre d'électrons et de rayons X.

• : Différence de potentiel (kV), qui détermine l'énergie cinétique des électrons et donc l'énergie des rayons X. Plus U est élevé, plus les rayons X sont énergétiques.

• : Numéro atomique du matériau de l'anode.

Le rendement de production des rayons X est très faible (environ 1,5% pour le tungstène) ; la majeure partie de l'énergie est convertie en chaleur, nécessitant des systèmes de refroidissement (ex: anode tournante).

Atténuation des Rayons X et Contraste

Lorsqu'un faisceau de rayons X traverse le corps, il subit une atténuation variable selon l'épaisseur et la nature (densité) des tissus traversés. Ceci génère une image radiante (non visible).

• : Quantité de rayons X après traversée.

• : Quantité de rayons X avant traversée.

• : Coefficient d'atténuation linéique (en cm^-1), variant avec l'énergie des photons et la nature du tissu.

• : Épaisseur du tissu traversé.

Pour différencier les tissus, il est crucial d'optimiser leurs différences de . Le contraste () dépend de l'énergie des rayons X et des coefficients d'atténuation.

(où et sont les intensités de rayonnement transmises par deux tissus différents).

Un bon contraste est obtenu lorsque la différence entre les valeurs d'atténuation est importante. Les faibles énergies (bas kV) sont utilisées pour mieux étudier le contraste, particulièrement pour des faibles épaisseurs de tissus (ex: mammographie à 20-30 keV contre 60-120 keV pour d'autres examens).

Contraste Naturel et Artificiel

Contraste Naturel

Les différences de densité importantes sont naturellement visibles :

• Air (poumon) ↔ Équivalent eau (tissus mous) : bon contraste dans les poumons.

• Os ↔ Tissus mous : excellent contraste pour la radiologie osseuse.

Contraste Artificiel

Pour observer des structures peu contrastées naturellement, des produits de contraste sont utilisés.

1. Diminution de la Densité (historique) :

   • Injection d'air (ex: encéphalographie gazeuse, lavement baryté en double contraste). Moins utilisées aujourd'hui.

2. Augmentation de la Densité (augmentation de Z) :

   • Produits à base de Baryum : Utilisés pour le tube digestif (TOGD - Transit Oeso-Gastro-Duodénal, lavement baryté). Risque de toxicité en cas de fuite extra-digestive et de constipation (fécalome baryté) chez les sujets âgés.

   • Produits Iodés : Largement utilisés en raison de la densité élevée de l'iode. Peuvent être injectés dans diverses structures :

     • Voie vasculaire : Angiographie, artériographie (coronarographie), ventriculographie, phlébographie, lymphographie, urographie intraveineuse.

     • Autres structures : Arthrographie (articulations), cystographie (vessie), radiculographie (autour de la queue de cheval).

Précautions avec les Produits de Contraste Iodés

• Effets physiologiques courants : Bouffées de chaleur, goût métallique (hyperosmolarité).

• Risques allergiques : Peuvent aller de réactions cutanées à des réactions graves (Œdème de Quincke, décès). Il ne s'agit pas d'une allergie à l'iode, mais au produit de contraste iodé lui-même.

• Insuffisance rénale : Risque d'aggravation. Une estimation du débit de filtration glomérulaire (DFG) par dosage de la créatinine est systématiquement réalisée avant injection. Si DFG < 60 mL/min, des précautions sont prises ou l'injection est contre-indiquée.

• Diabète : Arrêt de la metformine après injection.

• Hyperthyroïdie : Charge iodée importante peut altérer la fonction thyroïdienne et déclencher une hyperthyroïdie, en particulier chez les patients fragiles. Saturation thyroïdienne en iode pendant plusieurs semaines.

• Produits iodés hydrosolubles oraux : Utilisés en cas de suspicion de fuite digestive où les produits barytés sont contre-indiqués.

Flou et Qualité d'Image en Radiologie

Différents facteurs peuvent entraîner un flou sur une image radiologique :

• Rayons X diffusés : Certains rayons, en diffusant dans toutes les directions, réduisent la qualité de l'image. Des grilles antidiffusion sont utilisées pour filtrer ces rayons et ne laisser passer que ceux dans l'axe de la source. La grille se déplace légèrement pendant l'examen pour ne pas apparaître sur l'image.

• Source non ponctuelle : La source de rayons X n'étant pas parfaitement ponctuelle, elle peut créer un léger flou.

• Mouvement du patient : Le mouvement (même respiratoire ou cardiaque) pendant l'examen peut entraîner un flou de mouvement. Le patient est souvent invité à bloquer sa respiration.

Formation de l'Image Visuelle

Film Radiographique 'Argentique' (Historique)

L'image est formée par une réaction d'oxydoréduction de cristaux de bromure d'argent (BrAg). La taille des cristaux module la finesse et la sensibilité du film. Les zones blanches ("opacités") et noires ("clartés") correspondent respectivement à une forte et une faible atténuation des rayons X. La courbe de réponse du film étant non linéaire, une adaptation de l'exposition est nécessaire.

Radioscopie et Amplificateur de Brillance

La radioscopie dirige les rayons X sur un écran fluorescent (sulfure de zinc-cadmium) qui réémet de la lumière proportionnellement au flux incident. Historiquement, elle causait une irradiation inadmissible et est aujourd'hui interdite sous cette forme.

L'amplificateur de brillance est une amélioration : les rayons X sont dirigés vers un écran primaire (luminophore), puis une photocathode convertit les photons lumineux en électrons accélérés vers un écran fluorescent de sortie. Cela permet une réduction d'irradiation jusqu'à 1000 fois pour un même type d'image, bien que la dose reste non négligeable.

Imagerie Numérique

Aujourd'hui, les systèmes sont numérisés. Les rayons X perturbent l'écran, créant des paires trou/électron. L'intensité du rayon X est proportionnelle au nombre de "trous" créés. Des capteurs numériques permettent de réinitialiser la plaque pour la réutiliser.

• Une image numérique est composée de pixels (en 2D) ou de voxels (en 3D).

• Chaque pixel est codé en niveau de gris, puis potentiellement en échelle de couleur artificielle.

• Les images sont stockées numériquement et peuvent être échangées grâce à la norme DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) et stockées sur des PACS (Picture Archiving and Communication System).

L'amélioration de l'informatique a permis une visualisation nettement supérieure des images, notamment pour les scanners.

Considérations Géométriques en Radiologie

1. Déformation de l'Image : l'Agrandissement

La source de rayons X est considérée comme ponctuelle. Un objet non ponctuel verra son image agrandie sur le film, d'autant plus que l'objet est éloigné du film. Pour minimiser cette déformation et obtenir une plus grande précision, il faut rapprocher au maximum l'objet du film.

La téléradiographie consiste à éloigner la source de l'objet pour obtenir des rayons plus parallèles, réduisant ainsi l'agrandissement et les déformations, utile pour des mesures précises (ex : hauteur de membres).

Il existe aussi des déformations selon l'axe : un cercle au centre de l'image apparaîtra rond, tandis que des cercles latéraux peuvent être elliptiques.

2. Superposition des Différents Plans et Signe de la Silhouette

Sur une radiographie planaire, différentes structures peuvent se superposer. Le signe de la silhouette permet de déterminer si deux structures de même densité sont dans le même plan ou non :

• Si leurs bords s'effacent sur l'image : elles sont dans le même plan.

• Si leurs bords sont visibles : elles sont dans des plans différents (l'une est devant ou derrière l'autre).

La visualisation de profil (radiographie latérale) permet de situer plus précisément des structures dans le plan sagittal.

Indications de la Radiologie Standard

• Radiologie ostéoarticulaire.

• Radiologie thoracique.

• Radiologie digestive (bien que l'endoscopie remplace de plus en plus les examens digestifs standards).

• Sénologie (mammographie).

• Radiologie interventionnelle : aspect thérapeutique (pose de stents, traitement d'anévrismes, injections de chimiothérapie). Le radiologue n'est plus seulement un diagnosticien, mais aussi un thérapeute.

• Radiologie vasculaire.

La radiologie interventionnelle est thérapeutique, les autres examens radiologiques sont généralement de première intention. L'évolution tend vers l'imagerie en coupe (TDM) pour une meilleure résolution et moins de flou.

Tomographie et Scanner (TDM)

Tomographie Conventionnelle (Historique)

La tomographie permet d'explorer des plans de coupe en mouvement simultané du foyer et de la plaque. Un seul plan est net, les autres deviennent flous. Cette technique a été transitoire avant l'arrivée du scanner.

Scanographie ou Tomodensitométrie (TDM)

Le terme scanner est courant, mais l'appellation officielle est scanographie ou tomodensitométrie (TDM), car elle implique la mesure (-métrie) de la densité (-densito-) en coupe (tomo-).

Développée par Mr. Hounsfield (Prix Nobel 1979), elle utilise un tube à rayons X monté sur un anneau mobile (rotor), tandis que le reste de l'appareil (stator) reste fixe.

Elle produit une image indirecte de coupe de l'objet, reconstruite en mode matriciel à partir de profils densitométriques enregistrés et traités par ordinateur.