Physique pour la médecine

...la théorie!

Radiologie conventionnelle

Chapitre I: Généralités sur les rayons X

I.A. Production des rayonsX

 

1) Les tubes

 

a) Le tube de Crookes.

 

Le tube de Crookes est l'ancêtre des tubes à rayons X. Il est dû à William Crookes qui dans les années 1870 a perfectionné un instrument imaginé puis modifié par quelques prédécesseurs, dont Faraday.

 

 

Le tube est muni de deux électrodes qui peuvent être soumises à une différence de potentiel élevée. On y fait le vide mais un vide peu poussé, typiquement d'un millième d'atmosphère, de sorte que dans le volume subsiste un gaz résiduel.

Quand on impose la haute tension sur les électrodes, les "quelques" ions positifs qui se trouvent en permanence dans le gaz sont accélérés vers la cathode. L'impact arrache au métal des électrons qui à leur tour sont violemment accélérés vers la région d'anode. Ce faisceau d'électrons fut découvert à l'époque au travers de phénomènes très visibles de type fluorescence mais on s'est aperçu par la suite que l'impact des électrons produisait également des rayons X. Le fonctionnement du tube est en quelque sorte auto-entretenu puisque sur leur trajet vers l'anode certains électrons peuvent heurter des atomes du gaz résiduel et les ioniser. Les ions positifs ainsi générés sont accélérés vers la cathode, etc…

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Radiologie conventionnelle

Chapitre I: Généralités sur les rayons X

 I.B. Nature des rayons X 

Les rayons X sont des photons, à savoir des objets électromagnétiques dépourvus de masse de même nature que la lumière, les ondes radio,… (voir ci-dessous le "spectre électromagnétique"). Les photons se comportent tantôt comme une onde, tantôt comme des corpuscules; on dit qu'ils possèdent une "double nature", ondulatoire et corpusculaire, et par là on entend que selon le phénomène étudié nous devons faire appel à un modèle ou à l'autre. Par exemple, les phénomènes d'interférence ne se comprennent qu'en y voyant des ondes, alors que l'effet photoélectrique ne peut se décrire qu'en termes  de particules.

 

1) Nature ondulatoire.

 

Dans le modèle ondulatoire de la lumière, nous devons imaginer un champ électrique E oscillant dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation et un champ magnétique B oscillant au même rythme dans la troisième dimension.

 

Nature ondulatoire de la lumière

 

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Radiologie conventionnelle

Chapitre I: Généralités sur   les rayons X

I.C. Spectre de rayons X émis par impact d'un faisceau d'électrons

               N.B.: en radiologie, la cible du faisceau d'électrons (anode du tube) est souvent faite de tungstène W ou de molybdène Mo (mammographie). Ces choix de matériau seront justifiés plus loin.

1) Spectre à l'émission.

 

Comme cela a été dit au §I.A,  des électrons accélérés sous une différence de potentiel V acquièrent tous en bout de course la même énergie cinétique Ee = eV (100.000 volts donnent 100.000 eV, etc…). Quand les électrons ainsi accélérés heurtent une cible ils génèrent des rayons X qui, quant à eux, sont loin d'avoir tous la même énergie: Ils présentent une distribution en énergie, ou "spectre", qu'il s'agit de bien comprendre si on veut maîtriser les paramètres de la radiologie.

 

Emission de rayons X par impact d'électrons.

 

Quand les électrons pénètrent dans la matière à haute vitesse, ils y rencontrent deux types d'objets: Les noyaux atomiques d'une part et les électrons d'autre part. Ces deux types d'interaction ont des effets différents et remarquables (voir aussi, à ce sujet, la partie "radioprotection").

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Radiologie conventionnelle

Chapitre I: Généralités sur   les rayons X

I.D. Atténuation d'un faisceau de rayons X dans la matière.

1) Le coefficient d'atténuation µ.

 

a) Intensité transmise et coefficient d'atténuation.

 

Quand un photon traverse un obstacle matériel, il a toujours une certaine chance de passer au travers sans perdre ses propriétés. Toutefois il y a aussi une certaine probabilité qu'il interagisse au travers d'un des processus qui seront rappelés ci-dessous, et cette probabilité augmente avec l'épaisseur à franchir.

Lorsqu'un faisceau d'intensité I0 tombe ainsi sur un écran matériel, l'ensemble des photons qui traversent le tout sans interaction forment la partie transmise du faisceau, d'intensité IT. Le défaut d'intensité I0 – IT est la partie absorbée dont l'importance dépend de l'épaisseur mais aussi de la nature du matériau traversé.

En radiologie, le corps humain et le film d'enregistrement de l'image peuvent être vus comme deux obstacles matériels sur le chemin du faisceau. Pour le premier on essayera d'obtenir une intensité transmise fortement modulée selon la nature des tissus traversés (contraste) tout en minimalisant la partie absorbée (dose absorbée). Pour le second on essayera d'avoir l'absorption la plus élevée (sensibilité du film) et la plus homogène possible (mais ce dernier point va presque de soi: les films présentent des propriétés qui ne varient pas beaucoup d'un point à l'autre).

Pour décrire quantitativement l'atténuation d'un faisceau, le mieux est d'imaginer une intensité I traversant un matériau homogène de très petite épaisseur dx. La très petite diminution d'intensité dI obtenue dépendra évidemment de I et de dx mais aussi de l'efficacité avec laquelle le matériau traversé agit sur les photons, ce qu'on fait apparaître au travers d'un paramètre noté µ et appelé "coefficient d'atténuation" du matériau concerné:

 

 

RadConv ID 1bis 

 

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