COURS 3

1 GTS503 - HIVER 2013 | COURS 3 : IMAGERIE M DICALE p. 01 COURS 3 : IMAGERIE M DICALE 1 INTRODUCTION Comment peut-on tudier la physiologie ou le m tabolisme du corps humain sans interagir directement avec celui-ci ? La r ponse se trouve dans l imagerie m dicale. L imagerie m dicale regroupe les moyens d acquisition et de restitution d images sur la base de plusieurs ph nom nes physiques tels que la r sonance magn tique, la radioactivit , l absorption et att nuation des r-X, la r flexion d ondes d ultrasons, l effet photo lectrique, etc. Dans le but de bien comprendre toutes les techniques existantes, nous aborderons avant tout les principaux l ments qui rendent possibles ces ph nom nes physiques tels que les concepts d atome, de radioactivit , d interaction des particules avec la mati re, d effet photo lectrique ainsi que d autres concepts aussi essentiels que les pr c dents. Lorsque les concepts de base seront bien d finis, nous expliquerons les fondements de chaque technique d imagerie m dicale.

2 Nous traiterons par la suite des modalit s des techniques que nous diviserons en trois groupes : les techniques qui utilisent les rayons X (radiographie plane, fluoroscopie, mammographie et tomographie axiale calcul e par ordinateur), celles qui forment ce que l on appelle la m decine nucl aire (scintigraphie, tomographie par mission de photons et tomographie par mission de positons) ainsi que les techniques d imagerie par r sonance magn tique et d imagerie par ultrasons. Par la suite, nous d crirons les diff rentes propri t s des images en se concentrant sur le contraste et la r solution spatiale de celles-ci. Une section sera consacr e la production de rayons X et la description des tubes rayons X et des g n rateurs. Nous retrouverons galement un tableau r sumant les types d appareils par technique utilis s dans les h pitaux du Qu bec. GTS503 - HIVER 2013 | COURS 3 : IMAGERIE M DICALE p. 02 2 NOTIONS DE BASE EN IMAGERIE: L ATOME ET LE RAYONNEMENT L ATOME L atome est la plus petite division d un l ment dans lequel l identit chimique est maintenue.

3 Il est compos d un noyau dense, charg positivement qui contient des protons et des neutrons et un nuage extranucl ique d lectrons charg s n gativement. Dans un tat non-ionis , l atome compte autant de charges positives que n gatives. Dans le mod le de Bohr, (Niels Bohr, 1913) les orbites des lectrons sont distance fixe du noyau. Chaque lectron occupe un tat d nergie fixe, ce qui conf re l atome des couches lectroniques auxquelles on assigne les lettres K, L, M, N, O, P, ou la couche K est la plus profonde (la plus proche au noyau). Les couches ont galement un nombre quantique n qui prend les valeurs 1, 2, 3, 4, etc., pour K, L, M, etc., respectivement. Chaque couche ne peut contenir que 2n2 lectrons. Donc, la couche K (n=1) ne peut contenir que deux lectrons, la couche L (n=2) peut en contenir 2 (2)2= 8, etc. Figure 1: Mod lel de Bohr. Exemplification avec l atome de chlore (17 lectrons) Source : Le noyau de l atome est compos de neutrons ( l ments sans charge lectrique) et de protons ( l ments de charge lectrique positive).

4 Le nombre de protons correspond au num ro atomique Z et le nombre de protons et de neutrons dans un noyau correspond au nombre de masse A ( ne pas confondre avec la masse atomique qui correspond la masse de l atome au complet). titre d exemple, le nombre de masse A de l oxyg ne-16 est 16 (8 neutrons et 8 protons) alors que la masse atomique est La notation est habituellement la suivante: AZXN. Dans cette notation, Z et X sont redondants puisque le nombre de protons est g n ralement contenu dans le nom chimique (H, Hydrog ne, correspond Z=1, He, H lium, correspond Z=2, et ainsi de suite, en suivant le tableau p riodique). Le nombre de neutrons est calcul par N=A (nombre de masse) Z (nombre de protons). La charge de l atome est donn e par un exposant droite. GTS503 - HIVER 2013 | COURS 3 : IMAGERIE M DICALE p. 03 Dans le noyau, il existe une force nomm e force nucl aire.

5 Une force autre qu' lectrostatique ou lectromagn tique s'exer ant entre nucl ons ( l ments du noyau) et qui assure la coh sion du propre noyau. Une telle force est essentiellement attractive et tr s court rayon d'action. Un atome (m me un ion ou une mol cule en g n ral) a un niveau d nergie associ . Le niveau d nergie est un tat quantique stationnaire quivalent une nergie interne particuli re. Cette nergie s'exprime souvent en lectronvolts mais, de pr f rence, en kilojoules par mole (unit s du syst me international). NERGIE DE LIAISON L nergie n cessaire pour retirer un lectron compl tement de l atome est appel e nergie de liaison. Par convention, les nergies de liaison sont n gatives et augmentent avec la proximit de la couche au noyau. Pour qu un atome puisse s ioniser, c'est- -dire pour qu il devienne charg lectriquement, on a besoin d un transfert nerg tique quivalent ou sup rieur son nergie de liaison.

6 Cette nergie peut tre donn e par un photon ou une forme corpusculaire d une radiation ionisante. L nergie de liaison augmente avec le nombre de protons dans le noyau et d pend donc du nombre atomique (Z). Dans l exemple cit ci-dessous, l lectron de la couche K du tungst ne est beaucoup plus fortement li l atome que l lectron de la couche K de l atome d hydrog ne. CASCADE DES LECTRONS Lorsqu un lectron est retir de sa couche par un photon X ou gamma, il subsiste une lacune dans la couche. Cette lacune est g n ralement remplie par un lectron provenant d une couche sup rieure, qui lui-m me est remplac par un lectron d une couche sup rieure et ainsi de suite. C est ce qu on appelle la cascade d lectrons. L nergie lib r e est quivalente Figure 2 : Variation du niveau nerg tique de liaison selon le nombre atomique (Z) Source : JT Bushberg et al., 2002 , GTS503 - HIVER 2013 | COURS 3 : IMAGERIE M DICALE p. 04 la diff rence d nergie de liaison entre la couche d origine et la couche finale de l lectron.

7 Cette nergie est lib r e sous forme de rayons X (figure 3) ou d lectrons Auger (figure 4). Figure 3 : nergie lib r e sous forme de rayons X Figure 4 : nergie lib r e sous forme d lectrons Auger Source : JT Bushberg et al., 2002, Une transition de la couche M la couche K d un atome de Tungst ne produirait un rayon X de E(K ) = EK-EM = = 67keV. L nergie de liaison tant E . RADIOACTIVIT Seules certaines combinaisons de neutrons et de protons sont stables. Les atomes poss dant un nombre impair de neutrons, un nombre impair de protons et une masse atomique lev e ont tendance tre instables. Par contre, avec le temps, ces noyaux instables vont aller vers un tat stable. Il existe deux types d instabilit , l exc s de neutrons et le d ficit de neutrons. Ce type de noyau a un exc s d nergie compar aux noyaux o il n y a pas ces d s quilibres. L quilibre est n anmoins atteint par conversion d un neutron vers un proton ou vice versa et cette conversion s accompagne d mission d nergie.

8 Cette mission d nergie inclut des particules et des radiations. Les noyaux qui se transforment d un tat instable un tat stable sont dits radioactifs et le processus de transformation est appel d croissance radioactive. Cette d croissance radioactive peut passer par diff rents stades avant d atteindre un atome stable. Par exemple, l uranium-238 (isotope de l uranium avec un nombre de masse quivalent a 238) subit 14 transformations avant d atteindre un tat stable qui est le plomb-206 (isotope du plomb avec un nombre de masse de 238). On parle de noyau pr curseur (celui qui m ne la radioactivit et qui est toujours instable) et de noyau engendr (celui ayant subi la d croissance radioactive et qui peut tre instable ou stable). La d croissance radioactive d un atome radioactif forme g n ralement un noyau engendr dans un tat excit . La radiation lectromagn tique qui est mise par le noyau qui passe d un tat d nergie sup rieur un tat d nergie inf rieur est appel e rayon gamma.

9 Cette transition est analogue l mission de rayons X lors d une ionisation d atomes. Mais comme l nergie n cessaire r quilibrer l nergie dans un noyau est beaucoup plus importante, les rayons gamma sont g n ralement beaucoup plus nerg tiques que les rayons X. GTS503 - HIVER 2013 | COURS 3 : IMAGERIE M DICALE p. 05 Il existe une autre m thode lorsque la d sexcitation ne se fait pas par mission de rayonnement gamma : la conversion interne. Ce processus de d sexcitation se fait par transfert orbital d lectrons. L lectron est ject de l atome avec l nergie cin tique quivalente au rayonnement gamma moins l nergie de liaison. INTERACTION DE PARTICULES AVEC LA MATI RE Il faut diff rencier le comportement des particules lourdes avec celui des particules l g res. D un c t , on entend par lourdes les particules beaucoup plus lourdes que les lectrons, c est- -dire toutes les particules l exception des lectrons eux-m mes puis des positrons (m me masse que l lectron mais avec une charge lectrique positive).

10 Pour ce genre de particules, la perte d nergie est domin e par leur interaction lectromagn tique avec les lectrons atomiques : processus d excitation et d ionisation. D un autre c t , la perte d nergie des particules l g res ( lectrons et positrons) est d tect e principalement gr ce l observation de la perte d nergie par rayonnement (processus expliqu ci-dessous). Une autre distinction importante entre des particules l g res et lourdes est leur cheminement dans la mati re. Les lectrons suivent des chemins tortueux, r sultat de la diffusion caus e par l attraction ou la r pulsion coulombienne. Par contre, les particules plus lourdes ont un cheminement plus direct. On peut voir ce ph nom ne dans la figure 5 suivante. Figure 5. Cheminement dans la mati re. L lectron gauche et le photon alpha particule lourde droite. Source : JT Bushberg et al. 2002, p. 34. L excitation est le transfert d une partie de l nergie de la particule incidente vers des lectrons dans le mat riau absorbant.