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1 UE2 – BIOPATHOLOGIE Date : 27/09/2017 Plage horaire : 16h15-18h15 Promo : 2017/2018 Enseignant : Fernandez Ronéistes : MOUTOUVIRIN Shamila VELOU Lucie L’IMAGERIE PAR RX I. Imagerie par RX 1. Production des RX A.Spectre continu B. Spectre discontinu 2. Interactions et atténuation du faisceau A.Effet Compton B. Effet photoélectrique C. Atténu ation 3. Image radiante 4. Détection des RX A.Les films radiologiques B. Les tubes amplificateurs

UE2 – BIOPATHOLOGIE  · Web view2018-06-07 · l’amplitude des pics dépend du nombre d’électrons qui frappent la ... En bas on a une colonoscopie faite par le fibroscope

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UE2 – BIOPATHOLOGIE

Date : 27/09/2017 Plage horaire : 16h15-18h15Promo : 2017/2018 Enseignant : Fernandez

Ronéistes : MOUTOUVIRIN Shamila VELOU Lucie

L’IMAGERIE PAR RX

I. Imagerie par RX

1. Production des RX A. Spectre continuB. Spectre discontinu

2. Interactions et atténuation du faisceau A. Effet ComptonB. Effet photoélectriqueC. Atténuation

3. Image radiante

4. Détection des RX A. Les films radiologiquesB. Les tubes amplificateursC. ERLMD. Détecteur plan matriciel

5. Exemples d’applications

II. Tomodensitométrie

1. Principe A. ScannerB. Détection

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2. L’image en coupe A. Coupe et voxelB. MatriceC. Unités Hounsfield

3. Performance et qualité de l’image A. Résolution spatialeB. Résolution des contrastesC. Facteurs de contrasteD. Histoire du scanner

4. Sémiologie de l’image TDM A. ArtéfactsB. Reconstruction 3DC. CoroscanD. Bronchoscopie virtuelleE. Colonoscopie virtuelleF. Procédures percutanées guidées par scannerG. Microtomographie à RX à haute résolution

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I. IMAGERIE PAR RX

Introduction

Principe de l’imagerie par RX : pour réaliser cette imagerie, vous avez besoin d’un faisceau de RX qui doit être homogène et qui va être plus ou moins absorbé en fonction des structures anatomiques que vous allez vouloir radiographier ou scanographier. Donc le principe est basé sur la différence d’atténuation des RX avant et après passage de la structure à imager (ex : organe, patient entier, petit animal dans le cadre de la recherche en imagerie in vivo préclinique sur le petit animal, etc).

Cela va vous permettre de faire :- de l’imagerie radiographique conventionnelle (2D) : exemple d’une radiographie pulmonaire

- de la tomodensitométrie par RX (tomo rotation de l’appareil autour du patient) : exemple d’une coupe au niveau abdominale passant par le foie et le rein gauche

- de l’absorptiométrie biphotonique encore appelée ostéodensitométrie (basée sur la différence d’absorption entres 2 photons X) :

L’ostéodensitométrie est en fait une imagerie basée sur l’utilisation de 2 photons, permettant d’avoir accès à la densité minérale osseuse, et suivre notamment la déminéralisation. Cet examen permet d’avoir également accès à la densité de masse grasse. On peut donc l’utiliser pour des examens corps entier.Ceci est principalement utilisé pour le diagnostic de l’ostéoporose (1ère cause de déminéralisation osseuse). Les femmes monoposées qui ne sont pas substituées par une hormonothérapie peuvent être plus fragiles : le contenu minéral va diminuer avec le temps, ce quiexplique les fractures du col du fémur ou du poignet chez les femmes âgées. Ce type d’examen peut être pratiqué au niveau du

rachis comme ci-contre (ex de mesure de la minéralisation osseuse au niveau des vertèbres lombaires).

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1. Production de RX

Leur production nécessite un tube de coolidge, qui est formé de plusieurs éléments :

- une cathode : il s’agit d’un filament en tungstène auquel on va appliquer un courant de chauffage à très haute température (en moyenne 2000°). Par effet joules, et donc par effet thermoïonique, vous allez avoir l’arrachage d’électrons au niveau de la cathode qui vont être ensuite accélérés entre cette cathode et l’anode. A travers une grille, il y aura focalisation du faisceau vers l’anode grâce à une pièce de focalisation.

- en face, l’anode (ici, elle est fixe, elle ne va pas tourner autour de la structure). On a une plaque en tungstène qui présente un support en cuivre biseauté : il va y avoir interaction des électrons qui vont être accélérés entre cathode et anode, et qui vont être à l’origine de la formation des photons X.

En fonction de la pente (angle) du biseau de l’anode, vous allez avoir un foyer optique : la surface où vont se concentrer les RX. Plus la pente est étroite, plus on a une ouverture du foyer.

La pente du biseau de l’anode est importante pour avoir une surface de foyer la plus étroite possible afin d’avoir un fin faisceau de rayons X qui va sortir du tube.- un radiateur, ou plutôt évacuateur de chaleur (en bleu). Dans le rayonnement de freinage que

nous allons voir, il y a énormément de chaleur qui est dégagée et qui va devoir être évacuée par un système de refroidissement.

- tout ceci est confiné dans une enceinte en verre (ampoule) où on a fait le vide.

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A la surface du faisceau d’électrons, on retrouve le foyer électronique thermique. Le faisceau va ensuite sortir par la fenêtre de l’enceinte du tube pour aller se projeter sur un patient.

Pour obtenir les rayonnements, on applique une tension entre la cathode et l’anode permettant d’accélérer les électrons. Cette accélération va déboucher sur l’énergie des différents photons qui vont être émis à partir de l’anode.

Mais aujourd’hui, sur les imageurs modernes et scanners, on utilise plutôt des anodes tournantes disposées sur un rotor. On peut également distinguer la cathode avec le filament qui va être chauffé à haute température en fonction du milli ampérage appliqué pour nous donner des électrons qui vont accélérer entre la cathode et l’anode.Il s’agit d’une structure en tungstène rhénié avec un corps en molybdène ou en graphite, et qui va tourner à grande vitesse autour d’un retord.

L’avantage, c’est que les électrons ne vont pas toujours impacter la cible de tungstène au même endroit puisque l’anode tourne : cela permet un allongement de la durée de vie de ces tubes. C’était la limite de l’anode fixe qui vieillissait assez rapidement.De plus, la grande vitesse va augmenter la puissance des électrons qui vont bombarder la cible : augmentation de la puissance du tube par augmentation de la vitesse de rotation. Et on note une répartition de la chaleur tout au long de la piste.

Que se passe t il en fait au niveau de la cible ? Comment interagissent les électrons ? 2 types d’interactions (avec les atomes de tungstène de l’anode):

- rayonnement de fluorescence : interaction avec les électrons de l’anode, qui vont entrainer des phénomènes d’ionisation ou d’excitation. Cela implique un retour à l’état de base lorsqu’ils ne sont plus excités avec émission de rayonnements de fluorescence et donc de réarrangement du cortège électronique. Ces rayonnements dépendent des niveaux d’énergie entres les différentes couches de l’atome, plutôt au niveau des électrons profonds.

- rayonnement de freinage ou bremsstrahlung (= rayons X) : interaction avec le champélectrique périnucléaire (les électrons passent très proches du noyau des atomes de tungstène, ils vont être accélérés par phénomène d’attraction du noyau puis freinés du fait de la présence des électrons). Ce sont ces rayons X que l’on va détecter à la sortie du tube.

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La proportion de ces rayonnements est relativement faible. Au maximum, 1% de l’énergie va être transformée en rayonnement X (0,1% à 1%), tout le reste étant dissipé sous forme de chaleur.

En fonction de la position de l’électron par rapport au noyau on a une valeur énergétique qui va aller, si l’électron est stoppé de la valeur 0, jusqu’à une énergie maximale de votre photon : valeurs énergétiques de 0 à E0.

Ainsi, vous allez créer en fait un spectre polyénergétique ou polychromatique : il y aura différents photons en fonction du positionnement de l’électron au voisinage de l’atome de la cible.

On parlera de spectre continu pour le rayonnement de freinage, et discontinu pour le rayonnement de fluorescence.

A) Spectre continu (rayonnement de freinage)

L’énergie de ces photons va augmenter :

- d’une part avec l’énergie des électrons (plus l’énergie des électrons va être élevée, plus votre énergie du rayonnement de freinage va être élevée)

- et d’autre part avec le carré de la tension entre la cathode et l’anode

Adéquation entre tension et énergie des photons produits.

A noter qu’au niveau du tube, on a des milliampères et kilovoltage.

Lorsque vous augmentez la tension, vous augmentez la surface sous la courbe : c’est à dire la quantité d’énergie, mais également l’énergie maximale des photons X. Car en

fait, plus on augmente la tension, plus les électrons vont être accélérés, plus l’impact va être fort, et donc l’énergie maximale va augmenter. c’est la 1ère point.

2e point , l’énergie va également augmenter avec le nombre d’électrons produits : vous allez non pas accélérer leur vitesse entre la cathode et l’anode, mais vous allez augmenter la production des électrons par effet joules au niveau de la cathode en augmentant la température. Vous allez ainsi arracher plus d’électrons en jouant sur le milli ampérage de la cathode.

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Si vous ne modifiez pas la tension, vous allez augmenter la surface sous la courbe du niveau de l’énergie produite. Mais par contre, comme vous n’avez pas accéléré, l’énergie de vos photons sera identique. Donc vous aurez au final plus d’énergie photonique produite mais l’énergie maximale des photons produits sera identique. A noter que l’énergie est proportionnelle au nombre d’électrons produits et donc de photons produits.

Evidemment si on joue sur les deux paramètres (tension et augmentation du nombre de photons), il y a voir augmentation du nombre de photons produits mais aussi augmentation de l’énergie maximale.

Donc pour résumer, l’augmentation de la tension et du nombre de photons sont les deux éléments sur lesquelles on peut jouer pour modifier les caractéristiques énergétiques du faisceau.

3ème point : le numéro atomique (Z) de l’anode (généralement du tungstène). En fonction du Z, vous allez avoir un nombre d’électrons au niveau de l’anode qui vont être arrachés. Plus le Z est élevé et plus il y a de photons produits par augmentation du nombre de réactions électrolites, donc + l’énergie est grande. Néanmoins on verra qu’on ne touche pas à cette anode parce qu’en fait elle est fixe et aujourd’hui le rendement est meilleur avec une anode en tungstène.

La quantité d’énergie produite par le tube, c’est la surface d’un triangle rectangle (avec une valeur k qui correspond à d’autres paramètres du tube).NB : n nombre d’électrons

=> 3 données qui vont influer dont les 2 principales sont :- le carré de la tension- et l’augmentation de la production d’électrons par chauffage Le 3ème paramètre étant le Z.

B) Spectre discontinu (rayonnement de fluorescence)

Sur le spectre continu viennent se greffer les rayonnements de fluorescence sous forme de raies formant ainsi un spectre discontinu. Si on regarde un peu les énergies entres les différentes couches, elles correspondent en fait aux différences énergétiques des couches des atomes de tungstène.Ce sont les électrons des couches profondes des matériaux à Z élevés qui sont concernés. On ne pourra pas voir les autres rayonnements de trop faibles énergies se superposer ce sont vraiment les couches les plus profondes (K, L) du tungstène qui sont concernées.

Alors ça c’est le spectre théorique. Les paramètres influençant ce spectre de raies: + la tension augmente, + le nombre de raies se complètel’amplitude des pics dépend du nombre d’électrons qui frappent la cible : si on augmente le chauffage au niveau de la cathode, donc le nombre d’électrons, c’est l’amplitude des pics qui va augmenter parce qu’on aura une plus importante participation énergétique des autres atomes de tungstène.

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Donc ça c’est le spectre théorique, mais dans ce spectre, tous les rayonnements ne nous intéressent pas

Ce spectre n’est vraiment intéressant que pour des énergies de photons suffisamment élevées.

En effet, cette énergie est basée sur l’absorption des photons par la structure que vous allez traverser. Donc si vous avez des photons de trop basse énergie, ils vont être complètement absorbés par l’organisme : rien ne va sortir, vous n’aurez pas de photos à la sortie du corps qui permettront de vous montrer une différence avant/après irradiation de l’organisme. A ce moment là, il va falloir s’affranchir de tous ces photons de basse énergie qui vont être filtrés.

Il y a déjà les rayonnements les + faibles qui vont être auto-absorbés dans le tubeet les autres qui vont être absorbés au niveau de la peau par exemple, qui vont participer à l’irradiation du patient mais en fait qui ne vont pas du tout participer à la formation de l’image.

Donc il faut absolument les gommer par filtration : on va couper ces rayonnements de basse énergie en rajoutant notamment des petits filtres en aluminium qui vont filtrer +/- à la fois la partie gauche du spectre continu et également l’amplitude de ces raies de fluorescence.

Pour cela, plusieurs systèmes de filtration :

- le tube en lui même : émoussement du spectre (disparition des photons de basse énergie qui ne participeront en rien à l’imagerie et ne feront qu’irradier le patient).

- filtrations additionnelles : petites plaques d’aluminium à la sortie du tube qui absorberont lesphotos de basses énergie pour ne garder que les photons d’intérêt.

Donc au final le spectre énergétique qui va sortir du tube, c’est celui-ci avec les énergies les plus basses dont on s’est affranchies en ne gardant que les énergies qui nous intéressent :

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==> Pour résumer

Faisceau de RX : ensemble des photons qui vont être émis dans une direction donnée et qui vont sortir du tube, par une source de petite dimension issue du foyer optique de l’anode.

L’énergie est proportionnelle :- à l’intensité du courant de haute tension (va permettre de chauffer le filament de la cathode)- au numéro atomique Z de l’anode- au carré de la tension appliquée entre la cathode et l’anode.

2. Interaction et atténuation du faisceau

Une fois le faisceau de rayons X obtenus, il va falloir s’en servir pour réaliser une image. L’image obtenue en définitif résulte de l’interaction des photons X avec les tissus traversés avec 2 types d’effets principaux :

A) Effet Compton

Il s’agit de l’interaction avec les électrons périphériques qui ont des énergies de liaisons faibles. Ils sont responsables de photons diffusés d’énergie plus importante, qui vont dégrader l’image.

Il va prédominer à des énergies et des tensions élevées et d’autant plus si le Z est faible (ex : le Z des tissus mous comme le tissu hépatique ou pulmonaire dans lesquels il y a beaucoup d’air).

B) Effet photoélectrique

Il s’agit de l’interaction avec les électrons profonds.

L'arrachement de ces électrons va provoquer soit une ionisation (un arrachement complet d’un photoélectron) soit une excitation, et on va avoir un retour à l'état fondamental avec l'émission également de raies de fluorescence.

Cet effet photoélectrique est prépondérant à des énergies et tensions faibles et si le Z est élevé (avec notamment avec les atomes de calcium présent dans les os, exemple dans le corps de la différence entre le tissus graisseux et le tissus osseux).

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C) Atténuation

Les rayons (ou photons incidents) sont atténués selon le coefficient d’atténuation et l’épaisseur des tissus ou matériaux traversés.

* Faisceau monochromatique : (une seule énergie en théorie)- Atténué soit par effet Compton.- Atténué soit par effet photoélectrique.

N = N0 e− μx

avec μ : coefficient atténuation (σ + t)o : coefficient atténuation par effet Comptont : coefficient atténuation par effet photoélectrique

Ce diagramme met en évidence le coefficient d’atténuation résultant de ces 2 composantes en fonction de l’énergie des photons X. On remarque déjà des différences d’atténuation entre l’eau et le plomb qui le principal matériau utilisé pour la radioprotection.

Eau : l’atténuation par effet photoélectrique prédomine plutôt pour les basses énergies tandis que l’effet Campton concerne surtout les hautes énergies (au délà de 40 voire 100 Kev). Rappelons que le corps humain est effectivement composé à 70% d’eau, donc c’est principalement cette atténuation qui nous intéresse.Plomb : on obtiendra les raies X en rapport avec les réarrangements correspondant au plomb par phénomène photoélectrique.

Les différents Z sont importants avec par exemple celui des poumons, de tissus plus denses comme celui de la glande hépatique ou encore l’os (+ dense encore).

On note que c’est principalement par effet Compton que l’interaction se fait, mais on a une prédominance de l’effet photo-électrique aux énergies les plus basses.

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* Faisceau polychromatique : (issus par exemple d'un tube de rayons X)

Il s’agit ici de faire une somme exponentielle décroissante de l’atténuation de chaque type de rayonsX. Les atténuations sont différentes selon les différentes énergies des rayons X. Elles dépendent donc de la gamme énergétique allant de 0 à une énergie max des photons X.

3. L’image radiante

N = N11

− μ1x e

− μ2x+ N e

2…… + N

n

− μnx e

Une fois que le faisceau de rayons X sera passé au travers de l’organisme, il en ressortira atténué de manière différente selon les structures traversées et l’image recueillie est appelée image radiante.

Cette image est faite de plusieurs composantes :

1) Aérienne comme dans les poumons.

2) Les tissus mous et le gras comme dans le foie et l’abdomen. (à peu près la consistance du muscle)

3) Une composante osseuse.

Ces différentes structures vont atténuer de façon différente et cette information qui va être portée, est appelée image radiante (=ombres portées ou opacités radiologiques) qui va être ensuite détectée pour donner une image lumineuse.

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L’image lumineuse est l’image enregistrée sur le film, obtenue grâce aux matrices de détection pour pouvoir interpréter l'image en niveaux de gris.

Si le faisceau n'est pas atténué -> l’image apparaît en noir.S’il est absorbé par une structure -> blanc sur l’image.Ainsi les poumons apparaissent noirs et les os apparaissent blancs.

L’image radiante va dépendre de plusieurs paramètres : - Le numéro atomique des atomes du tissu : le Z est faible au niveau des tissus non osseux mais

plus élevé au niveau de l’atome de calcium des os. L'énergie des faisceaux incidents sera d'autant plus atténuée que le Z du tissus traversé est grand.

- De la masse volumique des tissus.- De l’épaisseur des tissus et de l’épaisseur totale des tissus traversés.

Ces paramètres vont jouer sur les contrastes de l’image.

Si le faisceau traverse des tissus d’épaisseurs et de masses volumiques différentes, il va de soi qu’il y aura des différences de contrastes entre ces deux tissus.

Exemple : Si on fait une radio sur un enfant et sur un adulte obèse on va avoir pour une même structure moins de contraste chez l’adulte obèse du fait de la présence de gras (cas de droite).

C’est ce qui explique que l’on ne va pas toujours utiliser les mêmes paramètres de réglages: pour avoir plus de contrastes, on peut être amené à augmenter l’énergie des électrons (augmenter la tension) en passant à des kilovoltages plus élevés. Les photons seront plus énergétiques donc ce sera aussi plus irradiant pour la personne.

Il y a vraiment un équilibre à obtenir entre l’ampérage pour la construction de l’image, la tension, la structure que l’on souhaite observer (dense ou pas), les paramères selon qu’il s’agisse d’un enfant ou d’un adulte... On va pouvoir jouer sur ces paramètres pour modifier les rayons X, leur possibilité de pénétration dans l’organisme à irradier pour au final donner un bien meilleur contraste.

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Rôle de l’énergie du rayonnement X incident : exemple d’une mammographie (=examen de dépistage du cancer du sein chez les femmes de + de 50 ans)

La glande mammaire est formée principalement de tissus glandulaire et +/- de gras. On distingue des structures + denses appelées « microcalcifications » qui sont souvent associées à des débuts de petits cancers. Il est important de les dépister très tôt. Souvent c’est associé à l’autopalpation des seins par la femme pour détecter de petits nodules dans le sein à explorer.Il faut donc avoir un contraste très important (c’est une des images les plus contrastées en radio) pour pouvoir détecter des structures de densités très proches les unes des autres.

Ce diagramme correspond :- En ordonnée : atténuation en cm-1- En abscisse : énergie en keV

Lorsqu’on a des énergies très élevées, en fonction de la masse volumique de l’os, de la graisse, du muscle et du poumon ; les différences entres les µ ne sont pas très importantes entres les différentes structures => donc le contraste ne sera pas très bon.Par contre dans les basses énergies, le delta devient très important entres les différentes structures. C’est pour cette raison que l’on réalise des mammographies à basse tension avec des énergies plutôt faibles entre 50 et 60 keV car c’est là que l’on va avoir le meilleur contraste.

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L’image radiante va également dépendre de l’énergie du rayonnement incident :

- si basse tension : effet photoélectrique prédominant, le contraste dépend du Z, il est très marqué entre os (calcification) et tissus mous ou entre tissus de masse volumique proches.Si on avait des énergies très élevées, le sein serait quasi tout blanc. Donc + l’énergie est élevée, et moins bon sera le contraste parce qu’il y aura peu de différences d’atténuation entres les différentes structures à traverser.

- si haute tension, l’effet Compton est prédominant, le contraste dépend de la masse volumique qui est proche entre os et tissus mous donc faible contraste => beaucoup de rayonnements diffusés qui parasitent l’image.

Comment modifier l’image radiante ? Comment modifier artificiellement le contraste ?

Il faut pour cela ajouter des produits de contrastes qui sont des produits chimiques composés d’atomes de Z relativement élevé. Cela permet d’augmenter le contraste entre des structures de densités proches.Ils sont :soit injectables : le + souvent des produits iodés (PHI : Produits Hydrosolubles Iodés). Dans ce cas on utilise l’atome d’iode (Z=53) notamment pour les vaisseaux et les voies urinaires. soit à avaler : sulfate de Baryum ou Baryte (Z=56) (ex : contraster l’œsophage ; possibilité de l’introduire par voie rectale pour contraster ; tube digestif). En général on y associe de l’air pour avoir un contraste plus important.Pour les articulations, on peut associer air et PHI.

* On va avoir des structures de composition très proche avec les muscles derrière (grand et petit pectoral). Dans la glande elle-même on va avoir des structures graisseuses qui vont atténuer plus ou moins les faisceaux de rayon X.

* Ce qu’on veut voir dans ces radiographies ceux sont la présence de petites structures de calcification qui ont une densité plus importante. Si malheureusement elles sont présentes c’est que c’est un signe de cancer débutant.

* Pour obtenir un bon contraste entre ces différentes structures on va choisir le bon coefficient d’atténuation et des énergies adaptées car si l’énergie est trop élevée on risque de ne pas avoir de grosse différence d’atténuation entre les structures. On va privilégier les énergies basses où l’effet photoélectrique est prédominant. En revanche, si l'on veut réaliser des images sur l’os, on utilise des énergies beaucoup plus élevées, et on favorise donc l’effet Compton (problème car plus de photons diffusés donc l’image pourra éventuellement être de moins bonne qualité).

D’où la nécessité de jouer sur ces paramètres (tension par exemple, pour augmenter l’énergie) pour bien voir la structure que l’on veut imager et avoir un contraste optimal.

Lorsqu’on a des tissus de densité très proche par exemple dans le haut du thorax, on a du mal à faire la différence entre les tissus vasculaires et les tissus mous dans lesquels se situent ces vaisseaux. On va donc augmenter le contraste avec l’injection de produit de contraste.Ces produits de contraste ont un Z élevé comme par exemple le Barium (Z=56), de l’Iode (Z= 53) ce qui va permettre d’avoir des interactions différentes entre ces atomes contenu dans ces structures.

Le sulfate de Barium va être utilisé pour le tube digestif, pour les voies urinaires et les vaisseaux on utilise principalement de l’Iode qui est hydrosoluble.

On va pouvoir mettre en évidence des rétrécissements aux niveaux des vaisseaux, des sténoses ou encore des plaques de graisses appelées des plaques d’athérome.

Ici on a ajouté du produit de contraste au niveau artériel, on voit l'aorte et les carotides, les vaisseaux destinés aux membres supérieurs et a visé encéphalique. On a réalisé une « gerbe aortique » pour vérifier que les vaisseaux sont normaux.

Ce sont des structures que l'on ne verrait pas en radio si on n’augmentait pas le contraste à l'intérieur des tuyaux, pour pouvoir bien les voir comme ici, on voit une carotide qui est très fine. On a donc une sténose de la carotide.

Ici sur image de l’abdomen on a injecté par voie basse (= par voie de lavement = lavement baryté = transit colique baryté) du sulfate de barium avec de l’air. Cela nous permet d'avoir un bon contraste de la paroi et de bien voir toutes les haustrations du colon.

On peut très bien distinguer à ce moment s’il y a présence d’une excroissance appelée diverticule(image d’addition) ou encore la présence de polypes. On pourrait voir une diminution de l’opacité en rapport par ex avec une tumeur ( image de soustraction).

Urographie intraveineuse : on injecte le produit au niveau de la veine du pli du coude. Après élimination du produit par voie rénale, on peut voir les calices des reins, l'uretère, le bassinet et la vessie.

Sur l’image de la vessie, on peut distinguer, grâce aux produits de contraste, la présence ou non d’un calcul (= lithiase) responsable d’une colique néphrétique (douleur en rapport avec la distortion de l’uretère par un petit calcul/lithiase) qui empêche la bonne excrétion au niveau du rein. Les muscles de l’uretère vont se spasmer, d’où la douleur au niveau de la fosse lombaire.. On verrait dans ce cas un gonflement en amont.

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On peut également réaliser une arthrographie du genou en injectant directement le PDC dans l’articulation par ponction articulaire, précisément dans les différentes cavités synoviales.

Cela permet de visualiser la cavité synoviale et par contraste inversé les ménisques alors que sans PDC on ne pourrait pas les distinguer car les ménisques sont des cartilages qui ont une densité très proche de celle du liquide synovial. Cela permet de déceler des anomalies méniscales avec les ménisques qui apparaissent en transparence par rapport aux autres structures opacifiées. Il est possible alors en insérant une petite caméra d’aller chercher des bouts de cartilage ou de ménisque qui s’est fissuré.

4. Détection des rayons X

A) Les films radiologiques

On dispose :

- d’un support polyester sur lequel il y a une émulsion photographique avec des cristaux d’argent qui vont être ionisés et produire des RX. Au final, ils vont noircir plus ou moins un film en fonction de la quantité reçue : image en négatif.

- d’écrans luminescents « renforçateurs » : le rayonnement entre en contact avec les cristaux detungstate de calcium qui va irradier lui-même une émulsion, amplifier le signal, ce qui permet de moins irradier les patients. On augmente la sensibilité donc diminue le temps d’exposition. On va retrouver tout ça dans une cassette de radiographie.

Leur développement est automatique, mais le problème de ces films c’est qu’ils sont non modifiables, vieillissent assez mal, et de nombreux artefact sont possibles.

Exemple d’artéfacts dus à des pliures, des coups d’ongles au niveau du film, de l’électricité statique, des artéfacts linéaires qui font qu’on devrait refaire la radio pour qu’elle soit interprétable et optimisée.

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Aujourd’hui on n’utilise plus ces films, on utilise plus particulièrement la numérisation.

B) Les tubes intensificateurs et analyseurs d’image

Ils permettent d’obtenir des images en direct sur un patient qui permet de faire des gestes interventionnels.

1) une photocathode (= écran primaire) va détecter les rayons X, les amplifier par un amplificateur de luminescence, qui va arracher des électrons en augmentant la vitesse2) ils vont être récupérés par un écran secondaire qui va lui-même transformer, au niveau de son anode, les électrons en photons lumineux3) puis ils vont être analysés par un tube analyseur ou par une caméra CCD pour obtenir unsignal vidéo par différence de potentiel

L’intérêt c’est que le signal est directement numérisable et qu’on obtient donc directement une image.(Le gain d'information va être multiplié par 8 000 à 15 000.)

Remarque : Souvent utilisé pour la radiographie interventionnelle et des examens avec des PDC.

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Les avantages :- Acquisition en temps réel (très rapide)- Diminution des doses grâce à l’amplificateur- Économie des films, enregistrés sur des PAX ou même sur des CDs

La limite :- Mauvaise résolution spatiale si on a un grand champ d’exploration, on risque d’avoir une perte d’info

Indications :- Exam avec contraste- Radiologie interventionnelle

C) Les écrans à mémoire « ERLM » ou écran au phosphore

C’est comme la cassette radiologique sauf qu’au lieu d’avoir le couple film/écran avec des cristaux de bromure d’argent, on va avoir un « écran à mémoire ». Il s’agit d’une couche phospholuminescente de cristaux qui va être modifiée par l’interaction des rayons X avec cette couche et qui vont se retrouver dans un état intermédiaire.Après il faut une impression laser donc un numérisateur pour obtenir l’image.

Principe :

-On a l’image radiante contenant les photons X qui ont, dans cette image issue de l’atténuation, toute l’information sur les densités traversées au niveau du patient.-Ces photons vont se retrouver dans un état d’excitation. En effet il s’agit des cristaux phospholuminescents qui vont passer dans un état intermédiaire dit instable mais par contre qui ont la propriété de rester dans cet état intermédiaire. C’est ce qu’on appelle l’image latente.

-Donc on obtient dans la cassette une image latente que l’on va pouvoir révéler secondairement. Cette image latente est piégée et stockée et il suffit de la révéler par une lecture laser.-On balaie cette couche de cristaux avec le laser ayant la propriété de repositionner les électrons dans la couche initiale. On parle de stimulation photo-laser. C’est donc l’information électrique entres les deux couches qui va être détectée et analysée pour donner un signal numérique. Donc on a une numérisation de l’image à partir de cette structure (puis effacement et possibilité de réutilisation).

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Ex : On retrouve ces écrans au phosphore chez le dentiste avec de tous petits films pouvant être positionnés dans la bouche. Le tout étant ensuite révélé dans un lecteur laser.

Remarque : Pour des faibles rayonnements X, on a des réponses sigmoïdes. Le noircissement n’est pas énorme, ensuite on a une étape linaire de noircissement du film proportionnelle aux rayons X que le film reçoit. Si on expose trop aux rayons, il y aura un trop gros noircissement du film.

Les avantages :- Réponse linéaire (différent de l’écran film) : dans le cas de la photo noir et blanc (avec les cristaux de bromure d’argent), on a une réponse sigmoïde cad que s’il y a peu de rayonnements la photo sera blanche et s’il y a trop de rayonnements il y aura une solarisation (=photo complétement noire). L’information n’est linéaire que sur la partie ascendante de la sigmoïde, zone au niveau de laquelle il y a une proportionnalité entre les rayons X et l’image obtenue sur le film. En dehors de cette zone iln’y a plus de proportionnalité.

Au contraire avec les ERLM c’est complétement linéaire avec des interactions qui vont se voir sur ces couches de cristaux. Même pour les basses énergies on va avoir l’information.- Utilisable au lit du patient : on réalise une seule image qui est ensuite calibrée et modifiée en fonction de ce qu’on veut voir MAIS du coup la lecture se fait en différée- Standardisation de la qualité de l’image Possible de faire un calibrage de sur ou de sous exposition comme avec le film argentique (sauf que là on a une correction en temps réel) pour avoir une image de qualité optimale; du coup on n’a pas besoin de refaire l’image.

La limite :- La résolution spatiale est moins bonne qu’avec le film écran.La mammographie a longtemps été obtenue avec des films. Il n’y a que peu de temps qu’on est passé avec les écrans au phosphore et on va le voir les écrans matriciels parce qu’on obtient des structures très fines numériquement alors qu’avant c’était un peu plus grossier.

D) Détecteur-plan matriciel

= Semblable à un appareil photo numérique en grande dimension.

Utilisation de semi-conducteurs chargés (SC) dans le système de détection.On aura, en fonction de l’énergie des RX reçue par la matrice, un mouvement des électrons à l’intérieur de la structure, dans un champ électrique, créant des « électron – trou » présente dans les SC.On obtient des informations au niveau d’électrodes (en faisant de petites différences de potentiel), avec des électrodes de 140μm de diamètre.Lorsque les électrodes sont fines, on pourra obtenir un signal électrique et donc un signal directement utilisable = la matrice active va alors pouvoir enregistrer numériquement l’image.

Il n’y a plus de balayage de la surface de recueil MAIS conversion puis transfert du signal électrique obtenu sur le détecteur grâce à un système de conversion à disposition matricielle.

On va récupérer toutes les informations de l’interaction des RX avec un semiconducteur = sélénium

2 types de systèmes sont possibles :

- La conversion électrique directe : ici à base de Sélénium, qui va entrainer la transmission d’une charge électrique vers des micro électrodes qu’on appelle une matrice active avec des microélectrodes de très petite taille (>200μ) déposées sur une matrice.

Les modifications de différence de potentiel en rapport avec le mouvement des électrons dans le SC donnent le signal électrique. Vous avez donc une proportionnalité entre les rayonnements X déposés et la réponse électrique du semi conducteur. En temps réel, sur le patient, sans besoin de balayage (contrairement aux écrans phosphore).

- La conversion lumineuse indirecte avec couple scintillateur/photodiodes : ça ne se passe plus par système de SC avec des charges électriques, mais par scintillation.

Les RX vont, en fonction de leur énergie, faire scintiller un cristal de Iodure de Césium (qui va émettre de la lumière qui sera détecté par des photodiodes), avec des micro-électrodes au niveau de la matrice qui sont en fait des photodiodes au Silicium (ou des détecteurs qu’on a au niveau des caméras CCD). On aura alors une image en direct avec une structure réutilisable à l’infini. L’info obtenue n’est donc plus

l’interaction électrique qu’on avait 1avecle semi-conducteur.

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écran

Tube de Coolidge

Détecteur plan matriciel flashscan taille des pixels = 127μm

Les avantages :- Image en temps réel (peut se faire à la chaîne) et rapide- Acquisition numérique grand champ (matrice active) (plus c’est grand plus c’est cher)- Signal électrique directement numérisable- Possibilité d'amplifier les images- Excellente résolution en contraste à faible dose par efficacité quantique ≈ amplificateur >film/écran et écrans phosphore.

Par exemple pour la mammographie (dernière imagerie que l’on ait faite avec système de film), il faut une précision dans la résolution d’image qui soit vraiment très fine. Aujourd'hui on est passé en numérique même pour les mammographies parce qu’on a des détecteurs de grande qualité avec des détails de l’ordre du pixel de centaines de microns (100-200 μSv).

A Pellegranne (son hôpital), on a le tube de Coolidge et l’écran matriciel comme un super appareil photographique, ici il est en mode fixe = principalement fait pour faire la radio pulmonaire à haut débit mais après, on peut l’installer sur des tables qui peuvent basculer, sur des patients couchés ou inclinés, pour faire toutes les incidences qu’on veut.

Lorsque l’image est faite, on la transfère sur une console, ensuite on vide la mémoire, … c’est vraiment comme un appareil numérique grand champ.

5. Exemples d’applications

Rappel : L’image numérique correspond à des matrices formées de pixels -le plus souvent des carrés- chacun contenant une valeur binaire : à 1 bit (minimum binaire de l’image) seront associées 2n combinaisons. On aura autant de différences de gris que souhaité. Plus il y a de pixels, plus l’image est précise.Par exemple vous pouvez remarquer la différence de contrastes en fonction des différents matériaux utilisés comme le titane.Ce sont en général des prothèses métalliques avec tête en titane, pouvant être recouvertes de céramique,

2

Les cotyles eux peuvent être en métal ou plastique avec des vis pour les tenir. Parfois, ces prothèses peuvent bouger au cours du temps

Ex : Imagerie d'une prothèse de hanche douloureuse, le problème des prothèses étant qu'à la longue elles peuvent se desceller.

Espace anormal entre le cotyle et le biomatériau qui reçoit la tête fémorale.

Ici, on a donc une image radio faite en traction sur laquelle on peut remarquer un petit espace entre prothèse et os qui signe un descellement (au niveau du cotyle ici mais souvent, ça sera au niveau de la tige)

Image sera dite « lacunaire » ce qui témoigne d’un manque d’os à cause des interactions mécaniques prothèse/os qui vont faire qu’au bout d’un moment, y aura un descellement de la prothèse qui sera douloureux

Faudra souvent changer la prothèse (durée de vie étant d’une quinzaine d’année)

Ici, on a une queue de prothèse qui est douloureuse à cause d'une hypodensité (une image un peu plus sombre) ce qui signifie qu'il y a moins de tissu osseux c'est le début de descellement d'une queue de prothèse de hanche.

2

Il existe par exemple sur les genoux différents types de prothèses :

Prothèse totale Prothèse uni-compartimentale

En cas d'arthrose ou de malformation, ce sont les hémi-prothèses qui sont utilisées, au niveau du compartiment douloureux - là où il n'y a plus de cartilage - pour soulager le patient.

On va mettre une pièce métallique pour remplacer couplage os/cartilage, ménisque

Arthrose = Disparition du cartilage (usé) qui faisait coussinet entre l’os du fémur et l’os du tibia Très douloureux

On peut également reconnaître des prothèses importantes pour des patients qui ont eu des tumeurs au niveau des structures osseuses, où il y a la fois de grosses tiges et la structure articulaire du genou

On peut ici voir des anomalies, avec des structures qui vont se surajoutées = appositions périostées qui signent souvent un début d’infection.Mais on peut aussi retrouver signes de descellement de la pièce tibiale avec perte de substance osseuse= Prothèses carcinologiques

On peut également voir des infections sur les prothèses grâce aux radios, ici c'est un panoramique dentaire.

On va chercher des signes de résorption osseuse au niveau de la racine des implants qui seraient signe d’infection ou de mauvaise implantation de l’implant

Ce n’e---

2

st pas de la radio mais une IRM sur laquelle on distingue : RachisCordon médullaireHernie discale qui va comprimer la MEp (douloureux)

On peut être amené à faire une résection du disque, remplacer par une prothèse mécanique et la radio post-op servira alors à savoir si la prothèse est bien positionnée au niveau des 2 plateaux tibiaux

En général, ce sera une bille que l’on ne voit pas, qui sera matérialisée par un petit cerclage autour d’elle (celle-ci étant radiotransparente, en plastique dur polymères adaptés aux pressions mécaniques qu’on a au niveau du rachis)

Terminons la radiologie par l’utilisation de produit de contraste (pdc)

Artériographie :

= Radiographie des artères (avec produit de contraste) pour éventuellement visualiser de petites plaques de graisses (plaques d’athérome) s’il y a une sténose (rétrécissement vasculaire).

Le patient est sur la table, couché, endormi, dans un environnement le plus stérile possible.

Exposition au niveau de l’artère fémorale par la méthode de Seldinger, on introduit un cathéter à l'intérieur de l'artère fémorale afin d'y injecter le produit de contraste, puis on remonte à l'endroit où l'on souhaite visualiser l'anomalie et faire un éventuel geste : dilatation d'un ballonnet et/ou endoprothèse.

Si artère trop calcifiée, on peut être amené à faire artériographie par voie humérale

On peut utiliser des pdc iodés et on aura donc un effet photoélectrique prédominant puisque on a une interaction avec Z élevé ce qui fait qu’on aura un bon contraste.

2

Il y a des précautions à prendre par rapport au PDC (iode ou baryum = atomes lourds) :- Ils sont néphrotoxiques, il faut donc toujours vérifier la fonction rénale du patient (analyse de la

clairance de la créatinine et taux d’urée qu’on a dans le sang). En général, on évite d'injecter le PDC si la clairance est inférieure à 30 mL/min :

néphrotoxique ++++- Faire également attention aux patients présentant des allergies (souvent aux produits iodés) : on

aura alors des préparations particulières, comme l’administration d’anti-histaminiques. Rq : On n’est souvent pas allergique à l’iode lui-même mais à la molécule qui porte l’atome

d’iode. En général, ce sont des molécules hydrosolubles qui peuvent avoir une osmolarité ± élevée et qui va entrainer un effet allergisant qui se pourrait se traduire lors de la 1ère injection par l’apparition de petits boutons/urticaires, si on réinjecte, ça peut aller jusqu’au choc anaphylactique

Interrogatoire du patient important ++ (pour connaitre ses allergies)

Fonction rénale et allergies sont donc 2 paramètres importants à prendre en compte lors de l’interrogatoire avant l’injection de pdc iodés !

Ici, c’est la salle de cathétérisme: on y retrouve :- Amplificateur d’image ( ampli de brillance)- Numérisateur- Générateur de rayons X pédale qui permet

d’activer faisceaux de RX pour éviter l’irradiation permanente du chirurgien ou du radiologue

- Ecrans (permettant de voir les images)- Table complètement télécommandée, électrique

que l’on peut adapter Modifs de l’angulation possible

→ Coronarographie : = Radiographie des artères coronaires.

On a monté un cathéter par voie fémorale, on est allé jusqu’à l’ostium des artères coronaires en passant par l'aorte et on a injecté le pdc.

Ici, on a injecté pdc dans la coronaire droite, vous avez le cœur avec les trois segments de l'artère coronaire.

On est en oblique antérieure gauche 45° angulation de la table

Ici on ne voit pas le cœur puisque il n’y a pas de pdc dans celui-ci

Pdc a été injecté dans coronaire = artère qui alimente le cœur et on voit bien segments de l’artère coronaireOn voit bien les segments de l’artère coronaire droite, l’artère qui va sous le cœur soit la rétroventriculaire gauche et aussi l’interventricularie postérieure

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Pour la coronaire gauche (qui va alimenter l’interventriculaire antérieure avec les différentes diagonales et l’artère circonflexe) on va se mettre en oblique antérieure droit.

Circonflexe irrigue la partie inférieure du cœur Artère marginale irrigue la partie latérale gauche du ventricule

gauche Diagonale : interventriculaire antérieure irrigue la pointe du

cœur

Ici, on a une sténose ( obstruction à cause d'une plaque d'athérome, on peut la dilater avec un ballonnet, écraser la plaque et rétablir le flux sanguin)

La sténose fait qu’on n’a pas de contraste à ce niveau En même temps que l’introduction du cathéter, on pourra donc introduire aussi un petit

ballonnet que l’on gonflera pour écraser la sténose (plaque d’athérome) Ensuite, on réinjectera dans un 2nd temps, pour vérifier que l’artère est de nouveau

perméable !

On va gonfler le ballonnet du cathéter plusieurs fois à pression constante. Sur l'image à gauche, avant le geste, le flux était trop faible, alors qu’après l'intervention sur l'image à droite, le calibre est correct avec un retour du flux sanguin.

Aujourd’hui, on met en place des endoprothèses vasculaires (stents) qui sont des petits grillages qui vont prendre la forme de l'artère et qui permettent de retarder la récidive.

Réduisent la formation de la plaqueAuparavant, 6 mois après la dilatation, la sténose réapparaissait.

Le Stent actif (recouvert de différents produits) permet d'agir sur la plaque d'athérome, et de ralentir sa formation (soulage les douleurs), ce qui diminue également l'agrégation des plaquettes et des thrombus et peut éviter l'arrivée de l'infarctus. Ici, on injecte un anticoagulant (thrombolytique) en même temps que ce type de geste.

II. TOMODENSITOMETRIE PAR RX → 3D

« Tomo » Tomographie : On tourne autour du patient « Densitométrie » : Mesure de la densité dans chaque voxel de l’image

(Encore appelée image scanner)

Historique

Assez récent dans l’histoire de la médecine. Imagerie apparaissant dans le début des années 70.A l'époque un scanner cérébral prenait 40 à 50 minutes ; aujourd’hui il faut 10 secondes, grâce à l'argent de la production EMI des Beatles qui a permis à Hounsfield de mettre au point un premier prototype de scanner à la fin des 60.

•1968 : Premier prototype industriel.•1971 : Premier examen tomodensitométrique cérébral.•1974 : Premier appareil corps entier•1979 : Prix Nobel de médecine décerné à Allan MacLeod et Godfrey Hounsfield pour la mise au point du premier scanner.•1989 : Acquisition hélicoïdale.•1992 : Acquisition de deux coupes simultanées par rotation.•1998 : Acquisition multi-coupes ou multi-barrettes.

Scanner avec coupes de + en + fines, barrettes de + en + importantes image très rapide

Aujourd’hui, on peut faire énormément de coupes, et ce rapidement : la révolution de cette technique a été d’obtenir des coupes tomographiques coupes transverses =; on peut désormais reconstruire en 3D, en coupe coronale et en coupe frontale.Avant, on pouvait obtenir des coupes tomographiques avec de la radio RX en faisant des irradiations sous ≠ angles, là, le scanner va nous donner des coupes transverses.

C’est la 1ère fois qu’on avait des coupes anatomiques et aujourd'hui grâce au logiciel de reconstruction, on va pouvoir les obtenir en 3D

Images très fines permettant de faire le diagnostic chez le patient

1. Principe du scanner

On dispose de : Un tube à rayons X qui tourne autour du patient (tube de Coolidge donne une image en 3D) Un ensemble de détecteurs disposés en (hémi)-couronne autour du patient Au lieu d’avoir un seul détecteur plan matriciel, amplificateur d’image ou écrans phosphores Lit du patient va se déplacer dans le tube pour ensuite obtenir des coupes particulières

On va pouvoir mesurer l’atténuation du faisceau de rayons X qui traverse un segment du corps au niveau de chaque détecteur.

Le tube et les détecteurs tournent autour de l’objet à examiner pour en obtenir une image tomographique

De multiples profils d’atténuation sont obtenus à des angles de rotation différents. Ils sont échantillonnés et numérisés. Les données sont rétro-projetées sur une matrice numérique de reconstruction puis

transformées en image analogique.→ D’abord une image numérique, ensuite analogique et à nouveau numérique pour être luesl’écran psq transformée en des données binaires 1/0

sur27

A) Le Scanner

On a le tube, les détecteurs et toute l'informatique et l’électronique embarquée dans le système. L'ensemble tourne autour du patient pendant que le lit rentre dans le tube pour donner une imagerie en hélices, hélicoïdale.

Remarque : Lorsqu'on manipule des rayons X, on se retrouve derrière un écran plombé (entre le scanner et la salle d’acquisition) pour se protéger.On peut activer à distance un injecteur automatique (= robot relié à la console) branché sur une veine du patient qui injecte le PDC au patient à la demande, et réaliser des images avant/après PDC.

Avant, ces structures étaient câblées, ce qui était donc un problème pour ces structures qui tournent, donc aujourd'hui, ces détecteurs sont reliés en WIFI, il n’y aura que le fil qui branche la haute tension au scanner.

Aujourd'hui ça tourne à une très grande vitesse : quelques ms pour une rotation autour du patient

Lors de l'acquisition, on obtient des mesures d'atténuation en fonction des angles de rotation du couple tube/détecteur.Le faisceau de rayons X traversant un objet homogène d'épaisseur x subit une atténuation, en fonction de la densité électronique de l’objet.

X = X0 e-μx

Donc : Log X0/X = μx

X = Faisceau de RX On veut obtenir la carte d’atténuation = carte de µx

Le faisceau rencontre des structures de densité et d'épaisseur différentes (en fonction de la coupe où on se positionne). L’atténuation dépend donc de plusieurs inconnues μ1x1, μ2x2, ....μnxn (avec à la fois effet Compton et effet photoélectrique).

On aura donc, à la fin, la somme de toutes ces atténuations auniveau du détecteur 28

On va extraire le μx, ce qui nous donne les informations reçues par les détecteurs.

2

Le faisceau de rayons X va traverser différentes structures, ici d'abord la peau puis le gras, ensuite le foie, la rate, l'estomac, puis la vertèbre. Pour chaque voxel on va obtenir des densités un petit peu différentes donnant par la suite des atténuations différentes.On a donc à la fin un μ résultant. Ici avec un seul faisceau, on a peu d'informations, c'est donc en tournant autour du patient qu'on va avoir la reconstruction des structures traversées.

B) Détection

• Il va y avoir transformation des RX en signal électrique par les détecteurs.

Ces détecteurs ± conducteurs sont aujourd'hui solides (alors qu’avant on avait des détecteurs à gaz : Xénon,…)

On aura une atténuation détectée proportionnelle à l’intensité du faisceau de RX et ceci selon plusieurs angles = projection

• Le profil d’atténuation ou de projection correspond à l’ensemble des signaux électriques fournis par la totalité des détecteurs pour un angle de rotation donné.

• On va avoir un enregistrement d’une série de profils d’atténuation résultant de la traversée de la même coupe selon différents angles de rotation (de l’ordre de 1000 à 3000 mesures par rotation). Et en plus, on va tourner en continu autour du patient on va donc avoir énormément d’informations

Fonction de la distance que l’on veut imager, évidemment le nombre de rotation va varier en fonction de la longueur que l’on veut examiner (acquisition crane, thorax, corps entier...)

Profils d’atténuation et rétro-projection :

A chaque rotation, de multiples profils d’atténuation sont obtenus selon différents angles de rotation. C'est ensuite la somme de tous les profils (ou projection) qui va permettre de reconstruire l'image.

Tout à l’heure il nous avait parlé de filtres additionnels à la sortie du tube et là on va en plus rajouter des collimateurs qui vont focaliser le faisceau de RX pour qu’il soit le + fin possible lorsqu’il va balayer le corps du patient

• Les projections sont échantillonnées et numérisées. Transformée de Fourier est alors capitale car utilisée pour transformer les valeurs pour obtenir

une image d’abord transverse et ensuite une image en 3D.

3

• Conversion des données brutes (valeurs numériques) avec une adresse spatiale• Reconstruction possible d’une image du plan de coupe étudiée à partir de n projections obtenues selon des angles différents.• Ces projections sont rétro-projetées sur une matrice de reconstruction.

NB : Avec une seule projection on ne peut pas avoir d’image.

Ci-dessus une animation qui simule les rayons X par un projecteur qui vont traverser le cube. On a 3 angles différents qui donnent 3 profils différents : c'est une rétroprojection ou encore un épandage, il y a pour chaque angle différentes atténuations.

Si on regarde ce qu’il se passe au niveau d’un projecteur qui éclaire une structure, en fonction du positionnement du projecteur et de la forme de la structure, on va avoir des ombres ≠ qui vont se projeter et c’est ce principe qui est utilisé pour le scanner !

Pour des structures ≠, on aura des profils ≠ :

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Pour un scanner, on va rétro-projeter ces ≠ projections = épandage et on aura formation de l’image au fur et à mesure de la rétro-projection.

Sur la matrice on va épandre le 1er profil puis le 2ème et l’image se formera donc à l’intersection de ces ≠ profils

On appelle fantôme une structure qui matérialise un organe.

= ici structure en plexiglas (par exemple), ± dense, qui va représenter un thorax.Si on irradie ce thorax sous cet angle, ça va donner un certain profil

Beaucoup de densité au milieu entre les 2 structures cylindriques du poumon

Si on rétro-projette ce profil, on est très loin de ce à quoi ressemble le thorax en réalité.

On multiplie alors les projections pour se rapprocher de la réalité !

L’atténuation est faible au niveau de l'air et forte au niveau de l'os. Plus on multiplie les profils, plus lors de la rétroprojection la définition de la structure augmente.Ainsi, à la croisée de ces multiples profils, on aura le début d’une formation d’image car on aura beaucoup plus d’infos dans celle-ci et c’est donc comme ça qu’on construit une image au scanner c'est-à-dire par rétroprojection des ≠ profils sur une matrice de reconstructionAinsi, à partir de l'image, on obtient l'objet en tomographie, en tomodensitométrie en tournant autour du patient.

Pour des structures plus complexes, il faudra plus que 72 projections.

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Après rétro-projection, l’objet reconstruit n’est pas aussi pur que l’objet initial (altération)• Il faut un filtrage ou convolution (artifice mathématique) pour améliorer le résultat de l’épandage= rétro-projection filtrée• Logiciels de reconstruction (rétro-projection, transformée de Fourier) pour obtenir une image qui est la représentation la plus fidèle possible de l’objet réel = « vérité-terrain ».

2. L’image

A) Coupe et voxel

La coupe obtenue est un volume, car le détecteur a une certaine dimension qui donne la taille de la coupe, ce qui détermine le voxel (un élément volumique assimilé à l'élément basique de l'image : le pixel) qui va donner une image 3D.→ En 2D, on parle de pixel (= pictureelement = élément de l’image)→ En 3D, on parle de voxel car on estdans un volume, la structure aura une certaine épaisseur

L’image est formée d’une multitude de voxel qui seront associés dans des lignes et des colonnes et cet ensemble correspondra à la matrice.Une matrice de scanner correspond a 512 lignes par 512 colonnes.(IRM = 256*256)

En fonction des modalités on aura des matrice rectangulaire, carré,…

A chaque élément de la matrice correspond une structure de densité !

L’info contenu dans le voxel est l’atténuation du faisceau par les µ. Correspond à une cartographie d’atténuation

Donne donc la différence entre intensité des photons avant et après passage des ≠ structures de l’organisme

Dans chaque voxel, il y a l’information de l’ensemble des coefficients d’atténuation (µ), résultant de la rétro-projection de l’ensemble des profils d’atténuations (= résulte de l’atténuation du rayon X incident en fonctions des différentes densités électroniques des tissus traversés). La densité est une information d'atténuation au niveau de chaque voxel.

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B) Matrice

A chaque voxel de la matrice de reconstruction correspond une valeur d’atténuation μ ou de densité.En fonction de sa densité, chaque voxel est représenté sur l’image par une certaine valeur dans l’échelle des gris, proportionnelle à l’atténuation. Les densités seront représentées par des niveaux de gris

Plus c’est atténué, plus on va vers le blanc et vice- versa.

La densité est donc différente en fonction des tissus traversés et ceci de façon hélicoïdale, tranche par tranche sur votre patient.

/ !\ Pour un scanner : matrice = 512*512 ‼

Ici une coupe de scanner, au niveau abdominal, obtenue à partir de tous les profils d'atténuations autour du patient, avec donc des densités différentes.

A l'extérieur du patient on a une densité quasi nulle, on a ensuite des tissus de plus en plus denses, avec l'échelle de gris qui varie. On voit le gris du foie, le blanc de la vertèbre. On a injecté du PDC, on voit donc le rein sur la droite de l'image ainsi que l'aorte.

C) Echelle Hounsfield

Les coefficients de densité des ≠ tissus sont exprimés en unité Hounsfield (UH ou HU en anglais). Ces unités vont nous permettre de définir, voxel à voxel, la valeur de densité, donc d’atténuation. Elles sont proportionnelles à l’atténuation de faisceau de RX qui a traversé le patient.

Elles vont être disposées sur une échelle aux valeurs arbitraires suivantes : Variations entre -1000 et +1000

• +1000 pour l’os (très dense : blanc) Quand on va vers +1000 : tissus + dense UH positifs

•0 pour l’eau (centre)

• -1000 pour l’air (peu dense : noir) + on descend vers – 1000 moins c’est dense UH négatifs : Graisse, air,…

•Remarque : certaines structures très denses en métal (pace-ma ers, prothèses...) peuvent aller jusqu'à + 3000.

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Cela va nous donner énormément de valeurs de gris. Cependant, l’œil humain n’est capable de distinguer que moins de 0 niveaux de gris. Au-delà, tout se ressemble… donc il va falloir trouver un artifice pour modifier cette échelle.

Sur la totalité de ces 30-35 niveaux de gris qui va du noir profond au blanc le + intense, on n’est pas capable de distinguer des structures de densités très proches d’où l’utilisation de la fenêtre de densité !

Cette échelle va permettre de déterminer une fenêtre de visualisation au niveau de chaque coupe avec ce qu’on appelle :- iveau (level) : valeur centrale des densités visualisées sur la fenêtre- Largeur (window) : nombre de niveaux de densité On va faire varier la fenêtre pour exprimer tous ces niveaux de gris qui correspondent à autant d’infos intéressantes dans l’image

en t e densit s t duites su l’ n.

Echelle d’Hounsfield reflète les épaisseurs et densités croissantes : Densité faible au niveau des poumons (noir) Densité avec gris un peu plus soutenu pour tissus mous Gris intense allant jusqu’au blanc pour l’os

Ici, parenchyme pulmonaire -600 (pas que de l’air : tissu des alvéoles, vaisseaux).

Tissus mous : la graisse est moins dense que l’eau.

lus le tissu a une densité importante plus les rayons X vont tre atténués en fonction de la masse volumique du tissu et de la densité du tissu.

3

Lorsqu’on veut examiner des structures de densités très proches (ex : cerveau), on va se retrouver avec 4-5 valeurs de niveau de gris on ne sera pas assez fin pour l’interprétation.On modifie alors la fenêtre : on prend une fenêtre de largeur w, avec une valeur centrale aux alentours de 50, et on va redilater la fenêtre (avec les mêmes niveaux de gris mais on va redilater en une trentaine) en prenant la valeur la plus basse de ce niveau de gris en noir, et la valeur la plus haute de ce niveau de gris en blanc.

On va avoir des niveaux de gris qui nous permettent à ce moment là de distinguer des tissus ou pathologies de densités très proches dans cette fenêtre là !

Quand on détaille la zone près de l’eau, on se rend compte qu’on peut individualiser LCR, oedème, SG (qui est + dense que la SB), caillot/hématomes (beaucoup + denses), calcification.

Possibilité de les observer et les individualiser dans l’image par rapport aux autres structures.

Vous allez centrer votre en t e en fonction de ce que vous voulez regarder.

Fenêtre totale : Si vous ouvrez toute la fenetre, de -1000 à +1000, voilà ce que vous obtenez sur une coupe de poumon : l’air est tout noir, l’os est tout blanc (entre les 2 : coeur, vaisseaux : gris).Vous n’arrivez pas bien à distinguer les ≠ structures lesunes des autres.

On va donc rétrécir la fenêtre

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Fenêtre parenchymateuse : on diminue la fenetre (dans les structures négatives ≈ -400 UH donc entre -800 et -200 UH) au niveau du parenchyme pulmonaire nodules, métastases visibles.

Tout ce qui est au-dessous de – 200 va devenir tout blanc; Tout ce qui est au-dessus de -800 va être tout noir

Et on pourra alors bien discriminer dans cette fenêtre, les structures au niveau du parenchyme pulmonaire entre les vaisseaux, les bronches, présence de petites bulles, emphysème, métastase, nodule,…Cependant, avec cette fenêtre, on ne voit rien au niveau de l’os ou du médiastin, donc on redéplace la fenetre.

Fenetre médiastinale : aorte ascendante, descendante, artère pulmonaire, bronche, carène, structures graisseuses : intéressante pour ganglion

vaisseaux, muscles -> ganglions, métastases visibles. On voit toujours mal l’os on rechange de fenêtre

Fenetre osseuse : On distingue alors l’os cortical de l’os spongieux, on voit articulations, cotes, …

On va se balader dans l’échelle de Hounsfield en modifiant juste la fenêtre ‼ En modifiant la fenêtre on va agir sur les niveaux de gris mais on va aussi modifier le

contraste des structures !

- Lorsqu’on élargit la fenêtre, on l’enrichit en niveaux de gris avec des valeurs éloignées les unes des autres, mais il y aura une diminution de contraste entre les structures.

- Lorsqu’on diminue la fenêtre, le contraste augmente (valeurs, densités très proches les unes desautres).

/!\ piège QCM : c’est toujours la même coupe, la même acquisition, on ne refait pas de nouvelle acquisition. Mais par contre on module la fenêtre de visualisation de niveaux de gris en fonction de ce qu’on veut voir.

3. erformances et qualité de l’image TDM

La qualité d’une image va dépendre de :- La s luti n spatiale = + petite distance qui va permettre de distinguer 2 objets ponctuels

comme étant 2 objets séparés Plus on aura un système résolutif, plus il sera en capacité de discriminer les petites structures

(c’est la différence qu’on va voir entre une radio en 2D et un scanner en 3D où on aura une réso spatiale augmentée)

- La s luti n en contraste (différence moyenne d’intensité entre 2 points) = capacité de discriminer 2 structures de contraste très proches Ce que le scanner permet de faire avec la modification de l’échelle d’Hounsfield

A) La résolution spatiale

C’est le plus petit détail visible à fort contraste.Elle d end de la taille du voxel de la matrice ( le voxel est petit on peut discriminer et l'image a une bonne résolution).

+ on a de voxels, meilleure est la réso spatiale !

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Elle augmente :– Si petite taille du foyer optique en sortie de tube

On va pouvoir discriminer les voxels très proches les uns des autres– Si la collimation en sortie est parfaite (on cherche à avoir un faisceau très fin)– Avec nombre de points de mesure par projection (+ on a de projections + on a de mesures, + on a d’échantillonnage, + l’image sera fine)

Plus la résolution spatiale augmente, plus les images seront fines.La résolution spatiale est de 0,5 à 1mm pour le scanner mais on peut descendre à 0.25mm ( voxel de 0.25*0.25 mm)

(mais pour la recherche médicale, résolution de 500 microns pour des petites structures chez des souris : ça ne sera plus un appareil humain mais des micro-imageur pour les petits animaux)

) La résolution en contraste (ou en densité)

= la + petite différence de contraste ou d’absorption décelable de fa on significative par la machine.

lle dépend :- de la tension- de l'ampérage- du niveau de bruit qui parasite l’information (dispersion aléatoire des valeurs de densité de l’image autour d’une valeur moyenne)- du nombre de photons arrivant sur les détecteurs- de la reconstruction des images- mais aussi tout ce qui va dépendre du patient (gras ou pas), ses mouvements...

La résolution en contraste peut descendre à ≈ 1% pour les scanners (alors que sur une image radiographique 2D, on ne peut objectiver que des variations de contraste à 20%).

C) Les facteurs du contraste

Ils dépendent :- du tissu- de l’ isseu de l’objet, du patient (images pas toujours bien contrastée sur des patients obèses)- de l’ ne gie du faisceau incident. Ca va dépendre du kilovoltage, du milliampérage qui sont les

deux paramètres sur lesquels ont va travailler et jouer pour avoir des images bien contrastée (pour l'enfant on diminue l’énergie du faisceau).

- des agents de contraste (très utilisé aujourd'hui pour des images cérébrales, abdominales,vasculaire).

→ Nécessité d’augmenter la densité de structures anatomiques (par ex des hématomes que l'on peut voir de façon plus fine avec ces PDC), surtout les axes vasculaires.→ Utilisation de produits iodés injectés par voie IV (attention aux problèmes d’allergie, et àla fonction rénale) (comme pour les radios)

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D) L’histoire du scanner : plusieurs generations de TDM

Appareils de dernière génération : aujourd’hui, on a des TDM à rotation continue et hélicoïdale, et on va jusqu'à 128 barrettes (voxels très fins).

La grosse évolution étant les couches de détecteurs. Aujourd'hui on multiplie les coupes et on arrive à 128 barres de détecteurs ± symétriques, très

fins au centre de l’image, + large à côté et on arrive à avoir des résolutions très basses, de l’ordre de 200µm voxels très fins

On a des choses très rapides, avec des synchronisations respiratoires (le mouvement respi ne nous gêne donc plus

On pourra avoir une irradiation + importante : le faisceau étant très fin, on peut faire des coupes très fines autour du patient

Le nombre de coupes, c'est les barrettes de détecteurs associées.Plus vous avez de barrettes, plus vous avez de voxels très fins, et plus ça coûte cher.

On parle de TDM hélicoidal car au départ, quand on faisait un scanner, on faisait une rotation du tube, puis on déplaçait le lit, ensuite on refaisait tourner le tube autour du patient et ainsi de suite SéquentielAlors qu’aujourd'hui, on déplace le lit de façon continue, en même temps que la rotation du tube ce qui donne une hélice acquisition hélicoïdale, très rapide, en quelques secondes (10aine de secondes si on veut faire un corps entier)

4. Sémiologie de l’image TDM → Signes qu’on voit dans l’image

A. Artéfact

Quand on a des éléments de très fortes densités, ça peut entrainer des artéfacts lors de la reconstruction

Artéfacts :- Objets métalliques : bouche (amalgames dentaires, prothèses), broches, plaques, prothèses

orthopédiques,… artéfact en étoile- Mouvements du patient artéfact en bandes (le patient a bougé lors de l’acquisition)- Respiration- Artéfacts liés à la machine : détecteurs, reconstruction

Artéfacts ne sont pas donc du forcément qu’au patient- Anomalies de densité : hypodensités, hyperdensités d’organes (hémorragies, oedèmes,…)

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L’intér t d'injecter des produits de contraste, est que l’on va augmenter le contraste des tissus On peut voir des anomalies comme un hématome sous dural, après une commotion cérébrale

ou une petite hémorragie lors d'un accident vasculaire. Il peut alors y avoir une compression sur les ventricules ce qui n'est pas bon signe, on essaiera alors de drainer.

Aujourd'hui il y a des logiciels qui permettent de diminuer ces artefacts en tenant comptes de la densité des matériaux en question.

Ici ce sont des artefacts de reconstruction.Là on voit une vis qui à été placé sur un patient qui a eu une fracture vertébrale, ça nous donne des artefacts en étoile.

Ici on a des artefacts en bandes, par que le patient a bougé au moment de la rotation, et forcément l'image en face va être décalée.

L'image montre un accident vasculaire hémorragique, il y a du sang dans le cerveau.→ Anomalies de densité : Là le patient a un hématome sous- dural. Le sang est + dense que le cortex hémorragie méningéeIci on a injecté pdc puisque on voit mieux la SG et la SB et en plus, on voit du contraste dans les vaisseaux !

Ici, on voit un peu les vaisseaux donc ça a été un peu injecté, et il y à un hématome intra-cérébral, donc le patient a saigner, et l'anomalie de contraste permet de mieux distinguer les structures.

Avec

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Recherche de structures supplémentaires : métastases avec une angiographie scanner (injection IV de PCI). Anomalies de vascularisation : prise de contraste, aide au diagnostic.

- Sans PDC : on peut juste soupçonner des anomalies elles ne sont pas évidentes.

- Avec PDC : on peut apercevoir des métastases grâce aux prises de contraste autour de la tumeur ; le contraste a été amélioré, par l'hyper vascularisation des lésions.

Ci-dessous les images de la partie abdominale pour voir la structure hétérogène.- La première image (à gauche) montre un cancer au foie,- La deuxième (à droite) un kyste biliaire sans conséquence,- et un gros cancer du pancréas sur l'image de du bas (on peut voir aussi un rond foncé sur le foie,

qui est un kyste bénin car pas de prise de contraste autour de celui-ci ce n’est donc pas une métastase).

Sans pdc

pdc

Le contraste permet de voir les vaisseaux à l'intérieur du foie, la prise de contraste autour de la lésion pathologique.

Sur chaque image de scanner, on peut retrouver des infos sur les épaisseurs de coupes et les paramètres d’acquisition :

120 kilovolts = voltage au tube A coté, y a « 150 mA » = milliampérage On a aussi infos sur la fenêtre : l (level = centre de la fenêtre) et

w (window = largeur)

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B) Reconstruction 3D

C’est ce que nous permettent de faire aujourd’hui les logiciels en 3D.On reconstruit dans les autres plans : le plan coronal et le plan sagittal.On peut rajouter des couleurs (on est en numérique): intéressant pour les chirurgiens, par exemple ici (à droite) on voit un petit anévrisme (petite dilatation) au niveau de l’aorte abdominale sous- rénale.Bilan de fractures complexes : état des lieux, gestes de reconstruction…

Exemple d'un accident de voiture avec impact frontal :

En scanner (première image), on peut faire des coupes du crâne : on ne voit pas très bien le trait de fracture en 2D, alors qu'avec la reconstruction 3D elle est beaucoup plus visible (ce qui peut aider le chirurgien dans son geste).→ permet de déterminer plus précisément la localisation de la fracture

Ici, bilan pré-opératoire orthopédique: mesure pour commander une prothèse adaptée, détermination de mouvements articulaires, grâce a plusieurs analyses scanner, donc on va pouvoir calculer la taille exacte de la tête fémorale métallique.On aura donc une bonne corrélation entre la surface du cotyle et la sphère.

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Ici on a un mode artériographique, où on a supprimé les tissus de derrière, donc on a que les tissus vasculaires.

A gauche, on voit donc un anévrysme, = dilatation de l'aorte abdominale, complexe, ce qui permet au chirurgien d'avoir le volume, si il y a un remplacement a faire par des prothèses synthétiques permettra de voir exactement jusqu'où devront aller les sutures (si ça va concerner l'artère rénale ou pas, les artères fémorales, donc si ça va être une culotte aorto- bifémorale ou pas)

Permet d’avoir tous les rapports avec les autres artères (splénique, rénale,…) s’il veut mettre une prothèse vasculaire

A droite, on peut voir ce que donne les vaisseaux injectés en ayant garder l'image de l'os derrière.

Greffe rénale : le rein peut être enlevé ou gardé, ils sont en général atrophiés,Pour le greffon rénal, on peut enlever ou non les reins natifs, (en général atrophiés) on va greffer sur l'artère iliaques, on va « brancher » le greffon dessus.

On va mettre le greffon rénal en position iliaque cependant, parfois le greffon peut se tordre autour de son pédicule, et ainsi être mal vascularisé le patient pourrait perdre son greffon et à ce moment là, il peut- être intéressant pour le chirurgien d'avoir des images 3D, pour voir l'endroit où il y a une plicature qui fait que le greffons va moins bien marcher.

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C) Coroscan

On injecte des produits de contraste sans se servir de cathéter, ce qui nous permet de faire de l’imagerie 3D.

On peut voir aussi bien que la coronarographie (vue tout à l’heure) permet de faire dépistage chez patient présentant douleur thoracique sans pour autant être invasif.

Cependant, on ne peut réaliser de geste chirurgical avec cette technique.

Bilan de coronaropathie : sténoses, bilan préopératoire, pontages, endoprothèses.

La reconstruction apporte des précisions sur la sténose coronaire vue sur l'image scanner (en noir et blanc). Si un patient a des coronaires normales, on évite avec le scanner la coronographie qui est un geste lourd, ou il y a ponction de l'artère fémorale, ça peut être du dépistage.

On peut très bien voir la sténose sur l'image grise (flèche rouge), le rétrécissement intra-artériel.

Ici on ne va pas pouvoir faire de geste, mais on peut faire éventuellement du dépistage par scanner, et on peut faire après une artériographie, avec une montée de stent ou une dilatation, ce que l'on ne peut pas faire lors d'un scanner.

D) Bronchoscopie virtuelle

Après reconstruction 3D, c'est une bronchoscopie virtuelle.

Au niveau de la bronche gauche on voit qu'elle est bien libre, alors qu'à droite il y a une entité qui bouche la bronche : c'est une tumeur.

On le voyait très bien car entrainait une atélectasie défaut de ventilation parenchyme opaque sur le scanner en coupe transversale, coronale et sagittale.

Cette image 3D, permet déjà de voir où se passe le problème et aide ainsi le pneumologue avant de faire son gestePour des patients un peu fatigués, on peut déterminer avant de faire une biopsie la localisation précise de la tumeur.Il faudra malgré tout faire une fibroscopie pour un prélèvement de la lésion; on dépiste quand même cette tumeur.

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E) Colonoscopie Virtuelle

Après scanner et reconstruction 3D du colon, vous obtenez la colonoscopie virtuelle.Ensuite, s'il y a présence de polypes vous pourrez réaliser une exérèse grâce à une colonoscopie conventionnelle, mais avant ça, sert surtout au pré-diagnostic : présence de tumeur ?, polype ?, colon vide ? Cela évite des anesthésies générales chez des

patients fragiles lors de suspicions de cancer.

En bas on a une colonoscopie faite par le fibroscope qu'on introduit par l'anus et qu'on a remonté jusqu'au niveau du côlon sous anesthésie générale.

F) Procédures percutanées guidées par imagerie scanner

Le scanner sert également à guider les gestes pour faire :- Aujourd’hui existe aussi les aiguilles de radiofréquence : on injecte de petites électrodes qui

vont traiter les petites métastases dans les poumons. On développe un genre de petit parapluie et on envoie des fréquences électriques pour détruire les lésions (effectué sous scanner).

- une biopsie, faire une biopsie du foie (on voit les différents trocar).- une thérapie laser,- vertebroplastie : pour injecter du ciment dans une vertèbre (en cas de déminéralisation osseuse,

fracture des vertèbres, tassement), On parle de scanner interventionnel pour guider les procédures percutanées de façon très

performante.

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G) Micro-tomographie à rayons X à haute résolution

La machine est totalement différente des canners humains : micro-scanner Images très très fines!.Là c'est pour pouvoir mettre en place des biopsies, ou bien pour des tout petits animaux, rongeurs.. Il y a un système d'anesthésie qui est incorporé. La résolution va jusqu'à 27 microns.

On voit en gris un rachis de souris, et en bas, en bleu un patte de souris.

Cela permet, chez des souris où on va essayer des traitements par exemple pour l'ostéoporose, de suivre la reminéralisation osseuse par calcul de la densité vertébrale.

Faits pour les animaux de petite taille, les micro-scanners renvoient à des résolutions de quelques dizaines microns. Sur l’image on voit un rachis de souris, on peut donc voir des choses très fines. On peut reconstruire des pattes en 3D pour analyser par exemple des biomatériaux que l’on va positionner dans un os, voir l’effet de la reconstruction au cours du temps de ce matériau novateur. On va pouvoir s’en servir pour des thérapies cellulaires, ou avec des hormones.

Pour finir…. RESUMÉ DES PERFORMANCES DES SCANNERS X :

1) Résolution de densité : 1% (≠ radio 20%) : on va mieux discriminer les densités que sur une radio conventionnelle2) Résolution spatiale 0,5 à 1 mm (voire voxel de 0,2*0,2 en cardio) (≠ recherche médicale quelques microns)3) Rapidité

- Scanner 5ème génération- 2 secondes pour l’acquisition et la reconstruction d’une coupe- Scanner spiralé : 1m30 pour le corps entier, mais on peut également réaliser un scanner thoracique en 30-50 secondes- Reconstruction simultanée en temps réel en même temps que l'on fait l'image.- Couplage à l’ CG comme au système de ventilation, qui permet de corriger le mouvement, pour faire du coroscan on peut faire des images arrêtées de coronaire en systole, en

diastole

Possibilité également d’utilise des pdc vasculaire

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ANNALES :

2016/2017 :

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2015/2016

4

2014/2015

4

2012/2013

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5

5

2011/2012

5

2010/2011

5