PHYSIQUE DE LA RADIOGRAPHIE

PHYSIQUE DE LA RADIOGRAPHIE

Bremsstrahlung et rayonnement caractéristique


• Une particule chargée animée de vitesse (v) a une énergie cinétique Ec

• Elle peut produire des ionisations, des excitations ou du rayonnement électromagnétique (rayons X)


• Production du Bremsstrahlung via interaction électron-noyau

• Une interaction coulombienne entre le noyau de l’atome (+) et l’e- conduit à la déflection de celui-ci et à une transformation Ec en E hν => rayonnement de freinage (Bremmstrahlung) sous forme de rayonnement X



• Bremmstrahlung, rayonnement de freinage

• Interaction d’un électron avec un atome via l’attraction Coulombienne • conversion de l’énergie en énergie électromagnétique (Rx)


• Spectre des rayons X est poly chromatique • On le filtre pour retirer les rayons X mous

afin – de réduire la dose au patient – retirer les rayons X qui ne servent pas à

produire l’image

• Spectre de Bremmstrahlung • Continue avec une énergie maximale correspondant à l’énergie maximale de l’électron



• Environ 1% de l’énergie totale perdue par des e- de 100 keV lors de leur collision sur une anode de W (Z=74) sert à la production de rayons X

• Grande production de chaleur (excitation) • La quasi totalité du rayonnement X produit dans un

tube radiogène provient du Bremsstrahlung


• Filtration =>↑ énergie moyenne du faisceau • Filtration = >↓ intensité du faisceau => ↑ du

mAs • DDP < 50 kV => 0,5 mm Al • 50 ≤ DDP ≤ 70 kV => 1,5 mm Al • DDP > 70 => 2,5 mm Al RALPSP-79


fdinelle:

bush 69

fig 4.5

• Interaction d’un électron incident avec un électron lié d’une couche interne qui est éjecté. Un électron d’une des couches supérieures prends sa place avec l’émission d’un Rx caractéristique

• Énergie de l’électron > énergie de liaison • Énergies de liaisons uniques à un atome


fdinelle:

bush 69

fig 4.5



• Rayonnement caractéristique par transition autre que couche k filtré par la filtration inhérente et/ou ajouté

• ↑ énergie des e- incidents augmente le rapport Rayonnement caractéristique/bremmstrahlung soit : – à 80keV => 5% du rayonnement total est dû au caractéristique – à 100 keV => 10% du rayonnement total est dû au caractéristique




Le tube radiogène

Le tube radiogène

• Composantes du tube • Effet thermo-ionique • Point focal - dimension réelle et effective • Capacité calorifique du tube et capacité de

refroidissement

Le tube radiogène

• Composantes principales: cathode, anode, rotor/stator, enveloppe protectrice, gaine

• filament de W de la cathode est chauffé => par effet thermo-ionique crée un nuage d’e-

Le tube radiogène

• Les électrons libérés du filament demeurent aux abords de la cathode et crée un nuage (effet de charge spatiale), avec un équilibre entre les électrons émis et ceux qui retournent vers le filament

• Le nombre d’électrons dans le nuage est déterminé par T° du filament donc I filament

Le tube radiogène

• La DDP entre les électrodes attire les électrons vers l’anode et crée ainsi le courant dans le tube I tube

• I tube (mA) est 5 à 10 fois < I filament (A)

DDP > 40 kV, I tube est limité par l’émission thermo-ionique, emission limited tube current Au-delà du potentiel de saturation, l’augmentation du courant du tube ne se fait que par l’augmentation de la température du filament.

DDP < 40 kV, I tube est limité par la charge spatiale, space charge limited tube current. Les électrons sont libérés du filament plus rapidement que leur accélération vers la cible. Un nuage d’électron se forme autour du filament et oppose la libération d’électrons additionnels.

Le tube radiogène

• Habituellement il y aura deux tailles de filament qui forment le petit et grand foyers

• Chaque filament est entouré d’une coupole dite grille de focalisation qui sert à maintenir focalisée la dimension physique du faisceau d’électrons qui s’élargit suite à la répulsion naturelle des électrons entre-eux

Le tube radiogène

• L’anode est maintenue à un potentiel positif • Environ 1/200 de l’énergie incidente est

transformée en rayons X • Il y a une énorme quantité d’énergie qui est

transformée en chaleur ce qui peut limiter le nombre et la durée d’emploi de l’anode

Le tube radiogène

• En R/F on a recours au tungstène (W) avec un point de fusion élevé 3410° C et Z=74. L’ajout de rhénium (autour de 10%) (Z=75, T°=3180 C) réduit les dommages physiques (crevassage et trous)

• En mammographie on utilise le molybdène (Mo, Z=42, T°=2610 C) et le rhodium (Rh, Z=45, T°=1966 C) comme matériaux de base pour l’anode

Le tube radiogène

• Deux configurations d’anodes sont disponibles fixe et rotative

• Les anodes fixes sont plus répandues sur les systèmes opérant à faible courant tels que les C-arm, ou les systèmes RAD de faible puissance de générateur (appareil dentaire)

• Anode fixe: la cible de W est encastrée sur un bloc de cuivre qui dissipe la chaleur

Le tube radiogène

Le tube radiogène

• Les anodes rotatives sont des disques massifs de W qui agissent comme des réservoir de chaleur

• La rotation (3 000 - 10 000 RPM) permet de répartir sur le parcours entier la chaleur

• L’entraînement de l’anode se fait au moyen d’un moteur à induction composé d’un stator et d’un rotor

Le tube radiogène

• La grande vitesse de révolution est exigeante pour le roulement du rotor

• Le tube radiogène est maintenu sous vide => transfert de l’énergie générée se fait principalement par émission radiative

• Il existe des systèmes de refroidissement autour de l’enveloppe de verre pour ↓ T°

Le tube radiogène

• Entre l’enveloppe et la gaine du tube on retrouve une huile qui a 2 fonctions: faciliter le transfert de la chaleur et assurer l’isolation électrique

• Tube : capacité à extraire la chaleur -> unités chaleurs HU = Voltage maximum (kVp) X courant du tube (mA) X

temps d’exposition (sec) X compensation pour type de générateur (1. – simple phase, 1.35 – triphasé)

Énergie (Joule) = VRMS (V) X courant du tube (A) X temps d’exposition (sec)

HU = 1.4 Énergie(Joule)

Le tube radiogène • La charte de refroidissement renseigne dT°/dt et sur

le temps d’attente • La pente indique différents taux de refroidissement

qui varie en fonction de la température de l’anode

Si on délivre 425 HU à l’anode, on excède la capacité d’emmagasinage de la chaleur après 5,5 minutes d’utilisation.

Le tube radiogène

• Exposition en ciné 80 kV, 400 mA, 0,005 s/cadre,15 cadres/sec, T=5 sec.

• HU= 80 x 400 x 0,005 x 15 x 5 x 1,35=16 200 HU

• On retrouve sur les systèmes un intégrateur de chaleur qui indique la capacité restante à emmagasiner la chaleur

Le tube radiogène

• La gaine du tube est doublée de Pb afin de réduire le rayonnement de fuite à 0,1% de la radiation primaire mesurée à la même distance du foyer (RALPSP-79)

Le tube radiogène

• L’angulation de l’anode =>une dimension effective par opposition dimension réelle

• Angles varient entre 7 et 20 degrés(12°-15°) • Dapparente = D réelle x sin θ

Le tube radiogène

• L’augmentation de l’angle entraîne une ↑ de la dimension apparente du foyer

• La dimension du point focal a un impact important sur la résolution spatiale

Le tube radiogène

• Un angle faible (7-9 °) désirable pour petit FoV (neuro, hémo) => utilise filament plus long , améliore la longévité du tube

• Travail exigeant grand FoV, angle de l’anode varie entre 12-15° (graphie)

Le tube radiogène

• Dimensions nominales des foyers varient en fonction de l’utilisation

• mammographie: agrandissement 0,1 mm • mammographie: contact 0,3 mm • radiographie conventionnelle: 0,6 -1,2 mm • fluoroscopie mobile: 0,3 - 1,4 mm

Le tube radiogène

• Effet talon produit par la présence de l’anode a) écran aux rayons X et ↓ l’intensité b)filtre les rayons X et en ↑ l’énergie effective

• partie épaisse sous la cathode

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Ensemble tube-collimateur

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Composantes du collimateur

Composantes du collimateur nécessaires à la mesure de la congruence

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Configurations de collimateurs

• Collimation d’un appareil de graphie – Double plaques de plomb

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Rôle du collimateur

• Limiter le champ de radiation de manière à exposer seulement les structures à radiographier. C’est l’ouverture

• Diminuer le champ de rayonnement direct • => protection du patient contre les

radiations inutiles • Diminuer la quantité de rayonnement

secondaire provenant du patient • => protection des travailleurs contre les

radiations

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• PÉNOMBRE • le foyer sur l’anode n’est pas un point focal, mais

une surface de focalisation • une région du champ de radiation partiellement

exposé aux radiations. – ne voit qu’une partie du foyer de l’anode

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Calcul de la pénombre a

b

A

B

θ

θ Diaphragme

Foyer

b

a A b B Pénombre = 2b Pénombre B a A Pénombre = 2 aB/A

= 2

=

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Autre conséquence de la collimation

• Réduire la quantité de radiation diffusée qui atteint le film – contribution du rayonnement diffusé dépend de

• épaisseur du tissu irradié • surface de tissu irradiée • énergie du faisceau de rayons X (kVp utilisé)

– la quantité de rayons secondaire par unité de surface de film est pleinement dépendante de la grandeur du champ de rayonnement

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Radiation transmise par unité de surface

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Configurations de collimateurs • Collimation d’un appareil de graphie

– Double plaques de plomb • Collimation d’un appareil de fluoroscopie

– Plaques de plomb pour un champ carré/rectangulaire – Iris pour un champ circulaire

• Collimation d’un appareil de thérapie – Collimateur simple – Collimateur multi-lames

• Collimation d’une caméra gamma – Plaques de plomb parallèles

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Collimateur d’une caméra gamma

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Mesure de la collimation Congruence

Filtration

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Filtres • Filtration => ↓ les photons X du faisceau primaire • Durcissent le faisceau de rayons X

– éliminent les rayons X de basse énergie – augmente l’énergie moyenne du faisceau – diminue le nombre de photons, donc l’intensité du faisceau

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3 Niveaux de Filtration • filtration est mesurée en épaisseur équivalente

d’aluminium • Filtration inhérente au tube à rayons X

– équivalent à 0,9 mm Al (intervalle : 0,5 - 1 mm Al) • verre du tube (1-2mm) équivalent à 0,78 mm Al • l’huile équivalent à 0,07 mm Al • fenêtre de l’enceinte équivalent à 0,05 mm Al • miroir du collimateur

• Filtration ajoutée: Cu, Al, Mo, Rh, acrylique – Al est le matériau le plus utilisé – équivalent à 1 - 3 mm Al – Mo 0,03 mm, Rh 0,025 mm (mammo)

• Le patient lui-même

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Effet d’un filtre Al sur le spectre d’énergie

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Recommandation du CNRP

• Recommandation de filtration du CNRP (Conseil National de la RadioProtection) – kVp en opération Filtration totale

• < 50 kVp 0,5 mm Al • 50 - 70 kVp 1,5 mm Al • > 70 kVp 2,5 mm Al

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Désavantages de la Filtration

• Diminuer l’intensité du faisceau de rayons X – des photons de toutes les énergies sont absorbés par

le filtre – il faut compenser la perte des photons en augmentant

nombre. Ceci est accompli en augmentant le mAs. • Diminuer le contraste de l’image radiologique

– (différent que d’augmenter le kVp de l’appareil) • spectre d’énergie diminué : énergie plus uniforme

(homogène) et diminution du nombre de photons. • entraîne une image plus floue « fainted »

• Augmenter le temps d’exposition (pour garder la même densité sur le film radiologique)

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Effet du filtre sur le spectre d’énergie

• Filtration vs. Augmenter le kVp de l ’appareil

Intensité

Énergie

Augmenter kVp de l’appareil

Filtration

Spectre original

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Avantages de la Filtration • diminuer l’exposition du patient (dose absorbée↓)

– les photons de basse énergie absorbés par le filtre ne sont pas absorbés par le patient.

– Filtre d ’Al Dose à la peau (mR) % diminution exposition – Aucun 2380 0 – 0,5 mm Al 1850 22 – 1,0 mm Al 1270 47 – 3,0 mm Al 465 80

• Tirer avantage du K-edge du filtre, là où le coefficient d’atténuation augmente considérablement et la capacité de filtrer est maximale.

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K-edge d’un filtre Élément Symbole No. Atomique K-edge (keV) • Aluminium Al 13 1,6 • Cuivre Cu 29 9 • Molybdène Mo 42 20 • Iode I 53 33,17 • Baryum Ba 56 37,45 • Gadolinium Gd 64 50,2 • Holmium Ho 67 55,6 • Erbium Er 68 57,5 • Ytterbium Yb 70 61,3 • Tantale Ta 73 67,4 • Tungstène W 74 69,5

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Agents de contraste

• Agents de contraste fréquemment utilisés en radiologie – Iode (Z = 53 ; K-edge = 33.17 keV) – Baryum (Z = 56 ; K-edge = 37.45 keV)

• Valeur de K-edge correspond à l’énergie moyenne des photons produits par le tube à rayons X lorsqu’une technique de l’ordre de 100 kV est utilisée.

• À l’énergie K-edge, la fraction d’effet photoélectrique dépasse nettement la fraction de déviation Compton. Le matériau devient subitement très absorbant.

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Coefficient d’atténuation massique

• Coefficient d ’atténuation massique (µm) de l’iode

KeV Approximate µm(cm2/g)

25 13,7 28 10,2 31 7,27

33,1 6,62 33,2 36,4 35 31,6 41 21,4

µm pour l’Iode et l’Holmium

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Filtre de Molybdène

• Utilisé en mammographie – Numéro atomique Z = 42 – K-edge = 17,5 keV – K-edge ) = 19,6 keV – filtre de molybdène réduit la radiation d’énergie juste

au dessus de 20 keV • radiation > 20 keV réduit le contraste dans le tissu mou du

sein

– filtre de 0,03 mm Mo transmet • 57% de la radiation 17,5 keV K-edge (alpha, L -> K) • 67% de la radiation 19,5 keV K-edge (bêta, M-> K)

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Filtre non uniforme

Sert à uniformiser le niveau de radiation atteignant toute la surface du film lors d’irradiation d’objet de volume non uniforme réparti sur toute la surface du film

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Résumé • Collimateur

– Réduit le champ de radiation • Réduction de l’irradiation du patient • Réduction de l’irradiation des travailleurs

– Génère une pénombre : zone d’irradiation inutile • Filtre

– Réduit l’irradiation du patient • Réduit la quantité de rayons-X de basse énergie

– Réduit la densité du film • Réduction du nombre de rayons-X sur le film • Compensation en augmentant les techniques radiologiques

– Réduit le contraste du film • Rayons-X atteignant le film ont des énergies similaires

• Produits de contraste – Effet de filtration grâce à leur K-edge

Le générateur

Générateur Haute Tension

• Un générateur Rx possède 2 parties principales : • Une partie haut voltage: un transformateur “step-up” qui transforme le voltage d’entrée (240V) au voltage d’accélération des électrons qui produiront les Rayons X (40 à 140 kV)


• Une partie bas-voltage: un transformateur “step down” qui transforme le voltage d’entrée (240V) au voltage nécessaire pour chauffer le filament de la cathode (10V)

• À cela s’ajoute un circuit qui permet de redresser le voltage.

Redressement

Le courant d’un tube Rx ne passe que dans un sens

Redressement

Pour modifier un courant alternatif à un courant continu, on utilise un pont de diodes: les diodes ne laissent passer le courant que d’un sens


Générateur tri-phasé

Le voltage primaire peut être obtenu sur trois lignes avec un déphasage de 120° l’une de l’autre. Les trois lignes peuvent être recombinées et redressée afin d’aplanir les variations de voltage.

Générateur haute fréquence

Les transformateurs de voltage à haute fréquence (500 à 40000 Hz) sont plus facile à faire et sont beaucoup plus compact qu’à 60Hz. (efficacité, dissipation de chaleur) Permet d’incorporer le générateur dans le même boîtier que le tube.

Générateur haute fréquence

Générateurs Haute Tension

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Éléments contrôlables

• Radiographie – kVp – mA – T – mAs

• Radioscopie – kVp – T

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Rôles du générateur

• amplifier le voltage d ’entrée • rectifie la forme d’onde du courant : AC -> DC • permet le contrôle des paramètres d’exposition

– voltage du tube (kilo volts) • appliqué à chaque bout du tube

– courant du tube (milli-ampère) • traverse le tube de l’anode à la cathode

– temps d’exposition (milli-secondes à secondes)

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Capacité du générateur

• puissance (W) = voltage (kV) x courant (mA)

• intervalle de capacité 26 - 100 kW – 80 kW = 125 kV x 640 mA

Facteurs influençant l’intensité des photons X

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L’augmentation du kVp

• Augmentation de l’énergie des photons X • Augmentation quantité de photons X • Augmentation de la pénétration des photons X dans

la matière • Augmentation du nombre de photons qui atteignent

le film • Augmentation de la densité globale de l’image • Diminution du contraste

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Effet du kVp sur la densité du film

• Rapport de proportionnalité de kVp4. Augmentation Rapport Facteur de kVp des kVp d’augmentation de la densité 50 -> 60 604/504 2,07 70 -> 80 804/704 1,71 90 -> 100 1004/904 1,52 110 -> 120 1204/1104 1,42 130 -> 140 1404/1304 1,34

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Augmentation du mA ou T ou mAs

• Augmentation du nombre de photons X • Augmentation du nombre de photons de basse

énergie absorbés dans le tissus • Aucun effet direct sur le contraste • Effet sur le bruit de l’image • Favorise la perception des contrastes dans l’image

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Influence des kV et mA sur le spectre de rayons X

Intensité

Énergie

Petit mA ou mAs

Grand mA ou mAs

Petit kVp

Grand kVp

kVp constant mA ou mAs constant

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Dimension du foyer

• Diminution du foyer => augmentation du nombre de photons X par unité de surface

• Augmentation de la résolution • Aucun effet sur la densité • Aucun effet sur le contraste • diminution du foyer, améliore la résolution spatiale

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Intensité des photons • Paramètres affectant l’intensité du faisceau de rayons X

– Intensité = (Énergie des rayons X) (Nombre de rayons X) – Facteur qui affecte l’énergie des rayons X

• énergie des électrons qui frappent l’anode – Énergie des électrons est imposée par le ∆V aux bornes du tube (kVp) – kVp = force qui accélère les électrons

• numéro atomique Z (influence En des photons caractéristiques)

– Facteurs qui affectent le nombre de photons X • potentiel du tube (kVp) • courant du tube (mA) [influencé par le courant de l’élément (Amp)] • temps d’exposition (T en secondes) • numéro atomique Z du matériau produisant les rayons X

– Choix du foyer (changement de 3 à 7%)

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Résumé • Paramètres affectant l’exposition

– Paramètres qui affectent l’intensité du faisceau de rayons X • Facteurs Éléments influencés • kVp2 N et En • mA N • T N • Z N et En • Type de générateur (monophasé, triphasé, potentiel constant)

– Degré de filtration => durcissement du faisceau de rayons X – Choix du foyer (variation de l’exposition de 3 à 7%)

• Paramètres affectant l’image – kVp => densité contraste – mAs => densité contraste : apparence – Foyer => densité contraste

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Calcul de l’intensité

• Intensité du faisceau de rayons-X

• Irayons-X ∝ Z x kVp2 x mA x T = Z x kVp2 x mAs

• Intensité de rayons-X reçu à la peau (Ipeau)

• Ipeau (mR) = Irayons-X / D2 où D = distance source-cible

• 1000 mR ≈ 74 x (100 kV)2 x 100 mAs / (100 cm)2

• (Z du Tungstène = 74)

90

Contrôle du temps d’exposition

• « Timer »: Système qui termine l’exposition après une période de temps présélectionnée.

• Interrupteur mécanique (Appareils > 10 ans) • appareil opérant avec 1 phase, faible puissance • un circuit électrique contrôlé par un timer alimente un

électroaimant branché à un contacteur qui ferme le circuit du côté du transformation à faible voltage.

• Au terme du temps l’électroaimant cesse d’être alimenté => ouverture du contacteur => fin de l ’exposition

• Le temps de réaction dépend de la vitesse de décharge d’un électroaimant préalablement chargé

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• Interrupteur numériques (appareils récents) – un timer active/déactive avec un faible voltage un

interrupteur (triode, tetrode, pentode) situé du côté primaire ou secondaire du circuit du tube

– 3 phases interrupteur côté secondaire – haut fréquence interrupteur côté primaire – système très précis et reproductible

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• « Phototimer » ou contrôle automatique de l’exposition SCEA/AEC

• système/circuit comprend • un/des senseurs de rayonnement • un amplificateur • un sélecteur de densité • un circuit comparateur • un interrupteur pour couper l’exposition • une minuterie secondaire (secours) (backup timer)

– utilise un senseur de radiation pour mesurer la radiation qui atteindra le film => moins de variabilité dans le DO versus épaisseur et densité traversées

– le signal qui atteint le senseur est intégré. Le circuit coupe l’exposition lorsque la valeur intégrée enregistrée atteint le niveau présélectionné

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• types de senseurs – chambre d’ionisation : ionisation de l’air produit un signal

électrique; – diode semi-conducteur (effet photoélectrique dans diode

excite les électrons et produit un courant proportionnel à l’intensité du faisceau de rayons-X incident

– cristal de scintillation luminescent + tube photomultiplicateur (signal lumineux produit un signal électrique)

94

Contrôle d’exposition automatique

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• Phototimers (suite…) – chambre d ’ionisation : le plus utilisé – diode semi-conducteur : pas utilisé parce que très peu

efficace – cristal de scintillation luminescent + tube

photomultiplicateur : pas utilisé dans appareils récents. • Circuit SCEA (Système de contrôle d’exposition automatique)

– 1 à 3 chambres d ’ionisations couplées à un contrôle de la densité du film. Utilisées en double, seul ou triplet.

• densité de -3 à +3 par incrément de 10% ou 20% de la densité du film.

• permet le contrôle de la densité du film par l’utilisateur selon les techniques utilisées et le type de patient radiographié

– Branché au transformateur du générateur

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Choix du foyer

• Petit foyer vs. Grand foyer – augmentation de la résolution « IMPORTANT »

• plus petite surface bombardée par les électrons • plus grand nombre de photons produits par unité de

surface irradiée – diminution de l’intensité de radiation ≈ 3 - 7% – augmentation de l’échauffement de l’anode

• plus petite surface bombardée par les électrons • augmentation du temps d’attente entre les clichés

Double-Énergie

• La méthode de la double énergie exploite les différences par rapport à l’énergie des coefficients d’atténuations des 2 matériaux.

• Des images de chaque matériau peut être déterminé par une soustraction pondérée des 2 images (C’est ce qui est fait par exemple sur le DR de GE.

• Dépendance d’énergie différente entre les tissus :Z OS (z=13) est plus important que le Z tissu moue (Z=7,6) créent une dépendance par rapport à l’énergie.

DE: valeur du niveau de gris de l’image double-énergie IHI et ILO :niveaux de gris correspondant à l’acquisition haute et basse énergie α et β : paramètre de brillance et de contraste pour un affichage optimale

Os

Tissu moue

1000 100

10 1

0.1 0 20 40 60 80 100 120 Énergie en Kev

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PHYSIQUE DE LA RADIOGRAPHIE