Imagerie médicale - Théorie

Effet photoélectrique

1) Un photon frappe un électron d'un métal.

2) Si le photon a assez d'énergie, l'électron absorbe cette énergie → L’énergie du photon est supérieur au travail d’extraction des e- du métal — h×f > Wext.

3) L'électron est éjecté du métal avec une énergie cinétique — K = 1/2×m×v² = h×f - Wext.

Potentiel d’arrêt

Tension nécessaire pour empêcher les électrons d’atteindre l’anode.

Effet Compton

1) Un photon énergétique arrive sur un électron libre ou faiblement lié

2) Collision avec un photon. Le photon lui cède une partie de son énergie et de sa quantité de mouvement.

3) L'électron passe à un état excité et est éjécté avec une ccertaine énergie cinétique

4) Le photon est dévié avec une longueur d'onde plus grande qu'initialement (Energie plus faible car une partie est cédé à l'électron)

Scintigraphie à balayage

Détecteur mobile qui observe une zone X1 à un moment t1, une zone X2 à un moment t2 puis de même avec une autre zone (ainsi de suite).

→ Construction d’une image réflétant la localisation de l’activité radioactive de la zone explorée.

INCONVENIENTS : Problème de superposition, l’information temporelle n’arrive pas en même temps que l’information topographique.

Fonctionnement de la scintigraphie à balayage

1) Les photons-γ (d’une zone bien déterminé) rentre dans le détecteur par le collimateur.

2) Ils sont détectés par un cristal scintillant qui vont absorber leur énergie, excitant les atomes du cristal scintillant. Ensuite, en revenant à son état initiale, il va perdre de l’énergie sous forme de photons du domaine visible (Énergie plus faible qu’initialement)

3) Les photons visibles vont frapper la photo-cathode et donc par effet photoélectrique, elles vont éjecté des électrons. Une certaine énergie est fournie à l’électron

4) Les électrons arrivent ensuite sur le photomultiplicateur, composé d’une succession de dynodes (Potentiel électrique croissant). Un e- arrive sur la 1e dynode, il cède son E aux atomes de la dynode pour produire d’autres électrons (Passage de 1e- à 3e- et de 3e- à 6e- sur la dernière dynode). Les dynodes qui suivent attirent les e- (avec leur ddp).

5) Les e- sont accélérés dans cet ddp et ont une certaine énergie cinétique. Ce courant électrique, une fois suffisament intense, est collecté à la sortie du tube pour son analyse par système électronique.

La γ-caméra

Détecteur statique (composé de plusieurs collimateurs) permettant de déterminer SIMULTANÉMENT l’activité radioactive de tous les points d’une zone de grandes dimensions (plusieurs dizaines du cm).

AVANTAGES :

- Durée réduite de l’examen, grande surface de détection, possibilité de suivre l’évolution de la répartition du marqueur par rapport au métabolisme de l’organe

INCONVÉNIENTS :

- Mauvais pouvoir de résolution (3-4mm)

Fonctionnement du γ-caméra

Même principe que la scintigraphie à balayage mais avec quelques ajustements :

1) Plusieurs collimateurs parallèles l’une à l’autre (Permettant d’étudier simultanément l’activité d’une zone dont la surface est équivalente à celle du cristal).

2) Plusieurs dizaines de photomultiplicateurs (PM) disposés en réseau.

3) Un calculateur numérique → Reçoit les signaux électriques fournit par les PM et compare les intensités lumineuses détectées par chaque PM & calcule l’énergie du photon incident.

4) Un écran vidéo (Image 2D)

Tomographie par émission de positons (PET-scan)

Technique délivrant exclusivement des images de coupe en utilisant des émetteurs β+ mais l’appareil se base toujours sur la détection de photons γ.

→ Elle détecte les photons γ émis par le positon qui a quitté le noyau et qui rencontre un e- à un point d’annihilation.

La résolution en imagerie TEP dépend du type d’émetteur β+ utilisé : plus l’énergie moyenne des positons émis est faibles, plus la position d’annihilation est proche du noyau, meilleure est la résolution.

Fonctionnement de la tomographie TEP

1) Production des émetteurs β+ : Ces émetteurs n’existent pas à l’état naturel (il faut les fabriquer). Un cyclotron va accélérer des protons, leur faisant acquérir une énergie cinétique très importante (État excité) → Ces noyaux très énergétiques peuvent alors subir une réaction qui vont générer des émetteurs β+.

2) L’émetteur va subir une désintégration β+ et va éjecté un positon (émis avec une certaine énergie cinétique qui le fera quitter l’atome dont il vient — généralement ils sont produits avec une petite énergie cinétique pour que la zone d’annihilation ne soit pas trop loin du noyau)

3) L’annihilation des positons : Lorsque l’énergie cinétique du positon devient nulle, le positon s’associe brièvement à un électron en repos dans le matériau. L’électron et le positon s’annihilent pour former 2 photons γ.

4) Les deux photons γ sont émis à des directions directement opposés (180°) car principe de conservation de l’énergie. Deux détecteurs positionnés à 180° l’un de l’autre devront détectés chacun un photon γ simultanément. Cette droite parcourue est appelée la ligne de réponse LOR.

(!) Existe une fenètre de tolérence temporelle (de quelques nanosecondes)

→ RECONSTRUCTION TOMOGRAPHIQUE : Consiste à rechercher les points d’intersections des LOR (prenant en compte leur poids)

Tube à rayons X

Tube sous vide qui comporte une résistance électrique (filament) traversée par un courant pour produire des rayons X.

Fonctionnement à tube à rayons

1) Le courant provoque un échauffement du filament de tungstène par effet Joule : L’énergie électrique s’est transformée en énergie thermique → Circuit primaire

2) Des e- sont émis par effet thermoionique : ils sont accélérés sous une différence de potentiel V établie entre un cathode et une anode. L’énergie potentielle des e- est ainsi transformée en énergie cinétique → Circuit secondaire

3) Les e- percutent la cible que constitute l’anode sur une zone qui s’étend sur quelques dixièmes de mm. L’impact provoque l’émission de rayons X.

→ Ils sont produits dans toutes les directions. Le rayonnement, étant polychromatique, est composé de différentes énergies et donc différentes fréquences.

Rayonnement de freinage

L’électron incident subit une interaction électrostatique attractive avec le noyau de l’atome cible : il se met donc à tourner car la force d’interaction joue le rôle de force centripète.

→ L’électron a une accélération centripète et voit sa trajectoire s’incurver.

L’électron est donc freiné, il perd de l’énergie cinétique en émettant des photons X qui constitue le rayonnement de freinage (il pourra céder le reste de son énergie à une autre interaction).

Capture électronique

→ Mécanisme par lequel un proton du noyau entre en interaction avec un électron des couches profondes de l’atome

Émetteurs γ purs

→ Ces noyaux émettent uniq. les photons que l’on souhaite détecter

Une capture électronique est effectuée sur l’élément chimique pour transformer un proton en neutron. Ensuite, ayant acquérit l’état excité, l’élément chimique va se désexciter en éméttant de l’énergie sous forme de rayons γ.

Émetteurs métastables

Les réactions nucléaires de type β- γ s’effectuent en cascade : certaines d’entre-elles génèrent des noyaux intermédiaires de très longue demi-vie suffisante

→ Ce noyau, qui peut demeurer dans un état excité pendant plusieurs heures avant d’émettre un rayonnement γ, se trouve d’un état « métastable ». Elle se déroule en 2 étapes :

1) Elle se déroule hors du patient (dans un générateur), générant un émetteur métastable.

2) Cet émétteur métastable est transmis au sein du patient et reste dans son état excité jusqu’au moment où il pourra émettre un rayonnement γ.

Atténuation du faisceau

Lorsqu’un faisceau de RX pénètre un objet, une fraction seulement du faisceau incident le traverse sans subir d’interaction : l’autre fraction est soit diffusée, soit absorbée (les photons entrent en interaction avec les électrons de la matière)

→ 3 mécanismes d’interaction entre un photon X et le milieu :

• < 100 MeV — Effet photoélectrique (+ probable) et effet Compton → Absorption

• > 100 MeV — Effet Compton → Diffusion

• Très haute énergie — Création de paires

Déplacement chimique

La différence entre la fréquence de résonance d’un proton dans une molécule et la fréquence de résonance d’un proton libre dans un champs extérieur appliquée.

Précession de Larmor

Un proton possède un moment magnétique spin. Lorsqu’il sera placé dans un champ magnétique statique B0, une interaction se fera entre le moment magnétique et le champ. Cette interaction génère un moment de force qui entrainera une précession du moment magnétique du proton autour de l’axe du champ magnétique B0.

→ Rotation à vitesse angulaire constante de µ selon un cône dont l’axe est orienté suivant B0.