1. PHYSIQUE DE L’IMAGERIE
INTERVENTIONNELLE
Principes de fonctionnement des appareils de
radioscopie et d’angiographie
Frédérique Piché, CHUM
Les entretiens vasculaires XXXI, 4 mai 2013

2. Plan de la présentation
1. Chaîne d’imagerie
2. Modes d’opération
3. Qualité d’image
Source : IAEA Radiation protection in cardiology, L 12: Examples of Good & Bad Radiation Protection Practice

3. 1. CHAÎNE D’IMAGERIE
1. Production et émission de rayons X
2. Atténuation du faisceau dans le patient
3. Détection des photons et conversion
du signal en images

4. Production des rayons X : Générateur
• Alimente le tube à rayons X
• Contrôle les paramètres suivants :
• Tension du tube radiogène « kV »
• Courant du tube radiogène « mA »
• Temps d’exposition
• Dicte le mode d’opération utilisé :
• Radioscopie (continue / pulsée)
• Acquisition numérique (exposition unique / ciné)
• Permet le contrôle automatique de l’exposition

5. Production des rayons X : Tube radiogène
1. La cathode chauffée émet des
d’électrons (mA) :
↑ mA  ↑ débit d’électrons (é/s)
2. Les électrons sont accélérés par la
différence de potentiel entre la
cathode et l’anode (kV) :
↑ kV  ↑ énergie cinétique des é
3. L’anode est bombardée d’électrons,
ce qui se traduit par l’émission de
rayons X (photons RX) :
↑ énergie des é  ↑ énergie des RX
*IAEA, Radiation protection in diagnostic and interventional radiology L6 : X Ray production.
**IAEA, Radiation protection in cardiology L4 : X Ray production and angiography equipment.
*
**

6. Production des rayons X : Filtration
Fig: Effet du niveau de filtration sur le
spectre en énergie du faisceau de rayons X
Dans l’image :
1. Spectre émis par l’anode
2. Spectre à la sortie du tube
(filtration inhérente au tube)
3. Filtration additionnelle
Effet du filtre sur le faisceau :
• Modifie la quantité de photons
• Modifie le spectre en énergie
Pour une même énergie maximale,
on observe un décalage de l’énergie
moyenne vers les hautes énergies à
mesure que le niveau de filtration
augmente.
*
*IAEA, Radiation protection in diagnostic and interventional radiology L7 : X Ray beam.

7. Atténuation : photons transmis
Photons détectés
1. Photons primaires
• Traversent le patient sans interagir
• Typiquement, les photons les plus
énergétiques
2. Photons secondaires (diffusés)
• Photons qui ont été déviés suite à une
interaction dans le patient au cours de
laquelle ils ont perdu une partie de leur
énergie
• L’énergie perdue par le photon incident
est déposée dans le patient (dose)
• Contribuent au bruit de fond
1
2
3

8. Atténuation : photons absorbés
Photons non détectés
3. Photons non détectés
• Déposent toute leur énergie au point
d’interaction dans le patient.
• Typiquement, les photons faiblement
énergétiques
• Contribuent à la dose de radiation
reçue par le patient.
1
2
3

9. Atténuation : Probabilité d’interaction
La probabilité que chacun des scénarios
1., 2., et 3. se produise dépend de :
• L’énergie des photons incidents
• La nature des tissus atteints
(composition, densité)
Coefficient d’atténuation linéaire
• Le nombre de photons de même
énergie diminue exponentiellement
avec l’épaisseur du matériau.
• Le taux de décroissance
exponentielle dépend de la probabilité
d’interaction.
1
2
3

10. Production d’images : faisceau transmis
• Le faisceau primaire est altéré par
son passage dans le patient.
• L’image est une projection des
propriétés d’atténuation de tous
les tissus rencontrés.
• Les photons diffusés (faisceau
secondaire) contribuent au signal
d’une région anatomique qui n’est
pas vis-à-vis le point d’interaction.
↑ bruit
• L’image est ensuite formée par
l’interaction des RX dans un
détecteur.
Source : IAEA, Radiation protection in cardiology L8 : Image quality in Cardiac Angiography.
Faisceau
primaire
Faisceau
secondaire
Intensité

11. Production d’images: détecteurs
Amplificateur de brillance
• Faible coût
• Zoom optique
• Distorsion
géométrique
• Chaîne d’imagerie
complexe
• Signal vidéo
Détecteur plat
• Pas de distorsion
• Zoom numérique
• Très bonne plage
dynamique
(niveaux de gris)
• Signal digital
Source : IAEA, Radiation protection in cardiology L4 : Xray production and angiography equipment.

12. 2. MODE D’OPÉRATION
Radioscopie
Acquisition
Magnification
Collimation
Contrôle automatique de l’exposition

13. Radioscopie continue
Tube radiogène
• Courant continu (0,5 à 6 mA)
• L’anode est continuellement bombardée d’électrons
• Émission de rayons-X en continu
Détecteur
• Acquisition du signal pendant 1/30 s (33 ms)
À l’écran
• Affichage de 30 images/s

14. Radioscopie pulsée
Tube radiogène
• Émission pulsée de rayons-X
• Fréquence des pulses réglables selon l’application
Détecteur
• Acquisition du signal pendant la durée d’un pulse (3 à 10 msec)
• Plus le temps d’acquisition est court, meilleure est la résolution
temporelle
À l’écran
• Taux de rafraîchissement des images cohérent avec la fréquence des
pulses.

15. Radioscopie
Affichage
30 i/s
1/30 3/30 4/30 5/302/30
secondes
Radioscopie continue
Radioscopie pulsée
30 i/s
30 pulses/s
RX en fonction secondes
15 i/s
15 pulses/s

16. Acquisition
• Comparable à la radiographie
• Courant nettement plus élevé qu’en radioscopie (~200 à 600 mA)
• Utilisé pour archiver des images ou séquences d’images avec le
dossier patient, pour consultation ultérieure
Exposition unique
• Séquence d’une seule acquisition, (radiographie)
Exposition séquentielles (ciné)
• Série d’expositions uniques une à la suite de l’autre.
• Débit de dose très élevé!!
• La dose par image est typiquement 10 x plus importante en ciné
qu’en scopie!

17. Acquisition : alternative à la ciné
• La ciné est à utiliser avec parcimonie!
• Préconiser la radioscopie
• Faire rejouer la dernière séquence de scopie
• Enregistrer les séquences de scopie, lorsque possible
• Si l’image doit être archivée, privilégier l’exposition unique
• Toutefois, attention à l’intensité du pulse et sa durée (mAs)

18. Magnification
• Le champ de vue (field of view FOV) maximal est défini par la taille du
détecteur
• L’option de magnification (zoom) permet de réduire la taille du champ
de vue, ce qui a pour effet d’augmenter la résolution spatiale de la
région d’intérêt.
6”
9”
avec mag. : 0.15 mm / pixel vs. sans mag. : 0.23 mm/pixel
Source : IAEA Training Course on Radiation Protection for Doctors (non-radiologists, non-cardiologists) using Fluoroscopy,
L04. Anatomy of Fluoroscopy & CT Fluoroscopy Equipment
Amplificateur de brillance

19. Magnification
• L’option de magnification modifie faisceau radiatif
• Amincissement du cône de radiation
• Augmentation du débit de dose
• Amplificateurs de brillance
• Zoom optique
• Le produit dose-surface demeure constant pour préserver la qualité
d’image
• Le rapport des dose est donc :
• Détecteurs plats
• Zoom numérique
• Le débit de dose tend à augmenter avec les détecteurs plats aussi,
bien que la relation ne soit pas aussi évidente que pour le
amplificateurs de brillance.
( )
( )2
2
2
1
1
2
FOV
FOV
Dose
Dose
=

20. Collimation
• Les lames définissent la forme et la dimension du faisceau RX
• Réduit la zone exposée
• Réduit la production de photons diffusés
• Améliore le contraste
Sans diffusion
(facteur diffusé = 1)
Avec diffusion
(facteur diffusé = 4)
Source : IAEA Radiation protection in cardiology, L 12: Examples of Good & Bad Radiation Protection Practice

21. Contrôle automatique de l’exposition
• Optimisation des paramètres de
charge (kV, mA, temps) selon
l’épaisseur du patient
• Le système s’ajuste selon la
quantité de photons qui se sont
rendus au détecteur de manière
à garder le rapport signal à bruit
constant
• L’exposition prend fin lorsque la
dose requise pour produire une
image de qualité a été intégrée
par le détecteur
Tube RX
Faisceau
primaire
Tissus
mous
os
Air Patient
Table
Détecteur
Détecteurs
pour le CAE
Source : IAEA Radiation protection in radiology, L 6: X ray production

22. Contrôle automatique de l’exposition
• En radioscopie continue, le système régule le voltage (kV) et
l’intensité du courant (mA) du tube radiogène.
• En radioscopie pulsée, le système peut ajuster la durée du pulse, son
intensité (mA) et le voltage (kV) du tube.
• Le générateur modifie ces paramètres d’une façon prédéterminée,
mais qui peut varier d’un modèle à l’autre.
Patient
mince
Patient
épais
kVp
mA
↓ dose
↓ contraste
↑ dose
↑ contraste
Préserve agressivement le
contraste
Maintient agressivement le
faible niveau de dose

23. QUALITÉ D’IMAGE
Résolution
Bruit
Contraste
Source :IAEA, Radiation protection in cardiology L8 : Image quality in cardiac angiography

24. Résolution spatiale
• La plus petite distance qu’il peut
y avoir entre deux régions de
contraste similaire sans qu’elles
ne se fondent l’une dans l’autre.
Facteur affectant la résolution
• Dimension du point focal de
l’anode (région sur laquelle les
électrons sont bombardés)
• Distance entre l’objet et le
détecteur
Source :IAEA, Radiation protection in cardiology L8 : Image quality in cardiac angiography
À partir de quelle fréquence
spatiale (paires de lignes par
mm) les trois lignes sont
confondues en une seule?

25. Résolution spatiale
• Plus la zone de pénombre est
large moins l’image est nette,
moins la résolution spatiale est
bonne.
• ↓ taille du point focal
• ↓ la pénombre, ↑ la résolution
• ↓ la capacité du tube RX: tous
les électrons sont bombardés
sur une région plus petite de
l’anode.
• ↓ la distance entre l’objet et le
détecteur
• ↓ la pénombre, ↑ la résolution
Source :IAEA, Radiation protection in cardiology L8 : Image quality in cardiac angiography
Point
focal
Objet
OmbrePénombre

26. Résolution temporelle
• Flou dû au mouvement
• Contraction/relaxation d’un organe
• Respiration
• Mouvement du patient
• Facteurs affectant la résolution temporelle
• Durée d’exposition
• Durée de la procédure
• Pour obtenir un signal équivalent, si le temps d’exposition est
raccourci, l’intensité du courant doit être augmentée. Ce qui requiert
souvent un point focal plus grand (perte de résolution spatiale).

27. Bruit
• Incertitude ou imprécision sur le signal
enregistré.
• Certaines sources de bruits sont inhérentes
au système d’imagerie, d’autres peuvent
être contrôlées :
• Structure anatomiques : photons diffusés
• Quantité de photons utilisés dans l’image
• Réponse du détecteur au faisceau RX
• Le niveau de bruit acceptable dépend de ce
que l’on veut voir.
Bruit
élevé
Bruit
faible
Source :IAEA, Radiation protection in cardiology L8 : Image quality in cardiac angiography

28. Bruit : photons diffusés
Source :IAEA, Radiation protection in diagnostic and interventional radiology L7 : X Ray beam
Source RX
Faisceau
primaire
Patient
Grille
Détecteur
• photons déviés suite à une interaction
• Augmente le bruit
• Diminue le contraste
• Augmente la dose au patient
• Grille anti-diffusion :
• intercepte les photons dont l’angle
d’incidence n’est pas adéquat, avant
qu’ils n’atteignent le détecteur.
• distance patient – détecteur petite
• pour préserver l’amplitude du signal :
↑ mAs  ↑ Dose
• Non recommandé pour les enfants.
Collimateur

29. Bruit : photons diffusés
Source :IAEA, Radiation protection in diagnostic and interventional radiology L7 : X Ray beam
Source RX
Faisceau
primaire
Patient
Grille
Détecteur
• photons déviés suite à une interaction
• Augmente le bruit
• Diminue le contraste
• Augmente la dose au patient
• Collimateur :
Limite le faisceau primaire
↓ zone irradiée  ↓ les sources de
diffusé
Collimateur

30. Bruit : quantité de photons
• Facteurs affectant la quantité de
photons utilisés dans l’image :
• Temps d’exposition
• Courant du tube « mA »
• L’épaisseur du patient
• La nature des tissus
• Toutefois, pour un même « kV »,
si le produit courant-temps (mAs)
augmente, la dose augmentera
aussi.
• Le niveau de bruit acceptable
dépend de ce que l’on veut voir.
Plus la quantité de photons est
élevée, plus le rapport signal
sur bruit sera élevé et plus la
qualité d’image sera bonne.
Signal
Bruit

31. Contraste
• Capacité à distinguer deux régions
l’une de l’autre.
• Différence relative de la densité optique
de deux régions d’une image.
Facteurs affectant le contraste
• Caractéristiques des tissus (densité,
épaisseur, …)
• Spectre en énergie des rayons X
• Quantité de photons émis (mAs)
• Bruit
• …
Contraste
élevé
Contraste
faible
Source :IAEA, Radiation protection in diagnostic and interventional radiology L8 : Factors affecting image quality

32. Contraste : effet du voltage (kV)
• Le voltage du tube influence la qualité du faisceau :
↑ kV  ↑ énergie cinétique des é  ↑ énergie des photons RX
• Or, plus l’énergie des photons RX est élevée, plus leur pénétrabilité
est élevée, plus ils auront tendance à être détectés par le détecteur.
• À des énergies très élevées, la différence entre l’atténuation des RX
des os et des tissus mou décroît et tous deux deviennent aussi radio-
transparents l’un que l’autre.
• Ainsi, il est possible de rehausser le contraste dans l’image en
sélectionnant un « kV » plus bas.
• Toutefois, il est préférable d’utiliser un « kV » élevé dans les régions
où le contraste est élevé, par exemple dans la poitrine (os vs. air)

33. Contraste : effet du voltage (kV)
On observe une diminution du contraste lorsque que le kV augmente,
mais que la quantité de photons émis (mAs) demeure constante.
60 kV - 50 mAs 70 kV - 50 mAs 80 kV - 50 mAs
Source :IAEA, Radiation protection in diagnostic and interventional radiology L8 : Factors affecting image quality

34. Contraste : effet du « mAs »
• Le produit courant « mA » - temps d’exposition, le « mAs »,
influence la quantité de rayons X du faisceau :
↑ mAs  ↑ é émis par la cathode  ↑ RX émis par l’anode
• En augmentant la quantité de photons émis par le tube
radiogène, le signal reçu par le détecteur augmente, mais la
dose aussi.
• Plus le signal augmente, plus les différences relatives entre
deux régions de l’image différente diminuent et moins le
contraste est bon.
• Toutefois, plus le signal est faible, plus le niveau de bruit dans
l’image prend de l’importance.

35. Contraste : effet du « mAs »
Dans ces images, le noircissement est régit par le « mAs ». Plus le
« mAs » est élevé, plus l’image est sombre et plus le contraste est faible.
70 kV - 25 mAs 70 kV - 50 mAs 70 kV - 80 mAs
Source IAEA, Radiation protection in diagnostic and interventional radiology L8 : Factors affecting image quality

36. Agents de contraste
• Iode, baryum
• Densité élevée
• Permettent d’obtenir un bon contraste en l’absence de contraste
naturel.
• En angiographie :
• pour distinguer les vaisseaux sanguins des tissus mous
environnants.
• Voltage du tube radiogène typiquement de 60 à 125 kV

37. Qualité d’image
• La dose, le contraste et le bruit sont interdépendants
Bruit
faible
Contraste
élevé
Dose
élevée
Dose
faible
Source :IAEA, Radiation protection in cardiology L8 : Image quality in cardiac angiography

38. Résumé
Paramètre Qualité des images
(à dose égale)
Dose au patient
(à qualité égale)
↑ Épaisseur du patient ↓ qualité de l’image ↑
↑ Courant (mA) ↑ contraste, ↓ bruit ↑
↑ Temps d’exposition par
image
↓ résolution temporelle ↑
↑ Voltage (kVp) ↓ contraste (ça dépend
de ce que l’on veut voir)
↓
↑ Magnification ↑ résolution, ↑ contraste ↑
↑ Ouverture des collimateurs ↓ contraste, ↑ bruit ↑ zone exposée
↑ Distance patient-détecteur ↓ résolution ↑
Tableau : Comportement général de la qualité des images et de la dose
au patient en fonction des divers paramètres de l’appareil d’angiographie.

39. Résumé
• La qualité des images en radioscopie ou en angiographie n’est pas
assurée.
• Certains paramètres – kVp, mA, mAs – sont optimisés par le module
de contrôle automatique de l’exposition (CAE)
• Il faut garder les autres en tête pour continuer le processus
d’optimisation.
• La qualité des images dépend aussi énormément de ce qu’elles
servent à représenter.

40. MERCI DE VOTRE
ATTENTION