Fiche de révision : Paramètres et reconstruction en TDM

📋 Plan du Cours

1. Principes et limites de la tomodensitométrie
2. Histoire et générations des scanners
3. Éléments et fonctionnement du scanner
4. Modes d’acquisition scanographique
5. Paramètres d’acquisition et tension
6. Charge et paramètres d’acquisition
7. Reconstruction des images TDM
8. Échelle de Hounsfield et fenêtrage
9. Post-traitements en imagerie TDM

📅 Repères chronologiques

1. 1895Roentgen découvre les rayons X.
2. 1917Radon montre la possibilité mathématique de reconstruire un objet à partir de projections multiples, fondement théorique de la tomodensitométrie.
3. 1971L’ingénieur britannique Godfrey Hounsfield réalise le premier appareil, l’EMISCANNER.
4. 1979Hounsfield et Cormack reçoivent le prix Nobel de médecine.
5. 1988Les premiers scanners à rotation continue sont présentés.

📖 1. Principes et limites de la tomodensitométrie

🔑 Notions clés & Définitions

• Tomodensitométrie : Obtention de coupes transversales reconstruites à partir de la mesure du coefficient d’atténuation des rayons X dans le volume étudié.

★ À maîtriser

• La tomodensitométrie mesure la densité radiologique des volumes élémentaires d’une coupe par l’absorption des rayons X et accroît la résolution en densité d’un facteur 100 par rapport à la radiologie conventionnelle.

📌 En radiologie conventionnelle, les os et les structures aérées sont spontanément visibles, tandis que l’étude des parties molles est difficile en raison de leur faible contraste naturel et nécessite des opacifications positives à l’iode ou à la baryte, ou négatives à l’air.

Compléments

• La radiologie conventionnelle produit une image plane en 2D où les structures se superposent, avec notamment un effet de cône.

📖 2. Histoire et générations des scanners

★ À maîtriser

📌 Le scanner de troisième génération associe un tube à une barrette en arc de cercle de 300 détecteurs, avec un faisceau ouvert de 50° ; le tube et les détecteurs tournent ensemble, d’abord dans un sens puis dans l’autre à cause des câbles, et deux coupes sont acquises en 6 secondes.

• La rotation continue réduit le temps d’acquisition en évitant de répéter une mise en élan et un freinage à chaque tour ; les slip rings remplacent les câbles par des frotteurs qui transmettent les données entre les statifs mobile et fixe, et les progrès informatiques permettent des reconstructions instantanées.

Compléments

• Le scanner de première génération utilise un tube et un détecteur unique, un faisceau fin et un mouvement de translation-rotation ; il réalise une coupe en 5 minutes et sert à l’étude cérébrale.

• Le scanner de deuxième génération possède un tube et une barrette droite de 30 détecteurs, un faisceau ouvert de 10° et un mouvement de translation-rotation ; il permet l’étude du tronc, mais nécessite une apnée par coupe, acquise en 10 à 20 secondes.

• Le scanner de quatrième génération comprend un tube et une couronne de détecteurs dissociés, un faisceau très large et une rotation seule ; son concept a été abandonné en raison de distorsions de l’image.

• Les scanners actuels sont multibarrettes, avec environ 800 détecteurs par barrette, et réalisent une rotation en 0,32 seconde ; les barrettes, auparavant asymétriques, sont plutôt symétriques aujourd’hui.

📖 3. Éléments et fonctionnement du scanner

★ À maîtriser

• Le scanner utilise les rayons X et mesure leur coefficient d’atténuation ; l’appareil comprend un statif, une table et une console.

• 🔄 Le trajet du faisceau et du signal dans le statif est le suivant. :

  1. Le tube à rayons X émet le faisceau.
  2. Le filtre et la collimation primaire le façonnent.
  3. Le faisceau traverse le patient.
  4. La collimation secondaire précède les barrettes de détecteurs.
  5. Les convertisseurs analogiques-numériques codent le signal électrique en signal numérique.

• Le filtre, généralement en aluminium ou en cuivre, arrête les rayons de basse énergie et durcit le faisceau, qui reste polychromatique ; le filtre papillon est plus épais en périphérie qu’au centre et homogénéise le dépôt de dose, ce qui rend le centrage du patient à l’isocentre essentiel.

📌 La collimation primaire, située après le filtre et avant le patient, délimite le faisceau selon les axes X et Y et son épaisseur selon Z ; la collimation secondaire, située après le patient et avant les détecteurs, limite la zone de détection à la zone irradiée et le rayonnement diffusé.

• Les détecteurs solides actuels, composés notamment d’oxysulfures de gadolinium, convertissent les photons X de haute énergie en photons lumineux, puis les cristaux et photodiodes transforment ce signal lumineux en signal électrique ; leur rendement est d’environ 99 %.

Compléments

• Le statif mobile contient les systèmes d’alimentation et de gestion du tube ; les slip rings échangent les données électriques entre les statifs mobile et fixe, tandis qu’un système de contrôle suit en temps réel la position angulaire du statif mobile.

• Le tunnel du scanner mesure environ 70 cm de diamètre, la zone d’exploration mesure environ 50 cm et le statif mobile peut s’incliner d’environ −30° à +30°.

• La table d’examen supporte une charge de 180 à 220 kg, peut monter, descendre et se déplacer longitudinalement, et comporte des contacteurs de sécurité le long de la table.

📌 Les consoles d’acquisition et de reconstruction des manipulateurs sont distinctes des consoles de reconstruction et de visualisation des médecins ; elles sont séparées de la salle d’examen par une vitre, des portes et des murs plombés.

📌 Les chambres à ionisation, ancien type de détecteur, avaient un rendement de 45 à 65 % et ont été écartées car elles ne satisfaisaient pas aux normes de radioprotection.

• Les détecteurs solides comprennent une grille antidiffusante qui absorbe les rayons X diffusés non perpendiculaires aux détecteurs, des cristaux scintillants et des photodiodes.

📖 4. Modes d’acquisition scanographique

★ À maîtriser

• Le topogramme sert à repérer et positionner les volumes d’acquisition ainsi qu’à guider la modulation de dose.

• En acquisition séquentielle, une coupe est acquise, le lit se déplace, puis une nouvelle coupe est acquise ; l’incrément correspond au déplacement entre deux acquisitions.

• En acquisition hélicoïdale, le système tube-détecteurs tourne continuellement tandis que la table progresse à vitesse constante, décrivant une spirale autour du corps du patient.

• L’acquisition hélicoïdale est rapide et permet notamment d’acquérir le thorax et l’abdomen en une apnée, d’obtenir des acquisitions à différentes phases vasculaires et de réduire les artefacts de mouvement grâce à un temps d’exploration plus court.

Compléments

• Le mode radio, aussi appelé scout ou topogramme, maintient le couple tube-détecteur à 0°, 90° ou 180° pendant que seule la table se déplace, produisant une image planaire assimilable à une radiographie.

• En acquisition séquentielle, une configuration 5/7 acquiert des coupes de 5 mm espacées par un déplacement de 7 mm, laissant 2 mm non étudiés entre deux coupes, tandis qu’une configuration 3/3 acquiert des coupes jointives de 3 mm.

• L’acquisition séquentielle reste utilisée pour plusieurs applications. :

  • Les ponctions.
  • Les biopsies.
  • La perfusion cérébrale.
  • Le suivi du bolus de produit de contraste par coupe de détection.

• Les acquisitions séquentielles à collimation large explorent des régions anatomiques complètes en une rotation, comme le cœur, mais présentent un effet de cône.

• La rapidité de l’acquisition hélicoïdale, favorisée par les scanners multibarrettes, a élargi les indications du scanner.

💡 Astuce mémo

Séquentiel : coupes séparées par des déplacements ; hélicoïdal : rotation continue avec progression du lit.

📖 5. Paramètres d’acquisition et tension

🔑 Notions clés & Définitions

• Tension : Haute tension appliquée au tube qui influe sur la vitesse des électrons.

★ À maîtriser

• Les principaux paramètres d’acquisition sont les suivants. :

  • La tension.
  • La charge.
  • Le temps de rotation.
  • Le champ d’acquisition.
  • La longueur du volume d’acquisition.
  • L’épaisseur nominale de coupe.
  • La collimation.
  • Le mode d’acquisition.
  • Le pitch.

• Quand la tension augmente, les rayons X deviennent plus énergétiques et plus pénétrants, sont moins atténués par le patient, et la dose augmente.

Compléments

• Quand la tension augmente, le rapport signal/bruit s’améliore tandis que le contraste diminue.

• La tension doit être adaptée au patient, car deux patients de 100 kg ayant des proportions musculaires et graisseuses différentes ne présentent pas les mêmes caractéristiques.

💡 Astuce mémo

Quand les kV augmentent, la pénétration et la dose augmentent, tandis que le contraste diminue.

📖 6. Charge et paramètres d’acquisition

🔑 Notions clés & Définitions

• Charge du tube : Intensité du courant du tube qui influe sur la quantité d’électrons.
• Temps de rotation : Temps nécessaire pour que le tube effectue une rotation.
• Champ d’acquisition : Le champ d’acquisition, ou SFOV, est le champ dans lequel les mesures sont prises; une structure située hors de ce champ ne peut pas être reconstruite car elle n’a pas été acquise.
• Épaisseur nominale de coupe : L’épaisseur nominale de coupe est la taille de coupe choisie en fonction de la taille des détecteurs; la plus petite épaisseur réalisable correspond à la taille d’un détecteur.
• Collimation : La collimation selon l’axe Z correspond à la couverture de cet axe et à l’ouverture des collimateurs; elle est égale à l’épaisseur nominale de coupe multipliée par le nombre de barrettes.
• Longueur d’acquisition : Longueur du volume à acquérir selon l’axe Z du patient.

★ À maîtriser

• Lorsque les mA augmentent, le nombre de rayons X incidents, le nombre de rayons X après atténuation et le signal récupéré par les détecteurs augmentent, le rapport signal/bruit s’améliore et la dose augmente proportionnellement à la charge.

📐 Formule - Le pitch vérifie $P=\frac{V_{\mathrm{tab}}\times T_{\mathrm{rot}}}{E_n\times N}$, où le dénominateur correspond à la collimation.

Compléments

• La charge est souvent adaptée automatiquement par l’appareil pour optimiser la dose.

• Les constantes d’acquisition sont adaptées à la pathologie recherchée, même lorsque les organes étudiés appartiennent à la même région anatomique.

• Pour étudier le foie ou les reins, les constantes indiquées sont 100 kV et 180–200 mAs, contre 100 kV et 450 mAs pour le rachis lombaire.

📌 Une rotation plus lente permet de prendre davantage de mesures ou projections, tandis qu’une rotation plus rapide améliore la résolution temporelle.

• Le SFOV correspond à l’ouverture des collimateurs primaires selon les axes X et Y, et les appareils proposent deux ou trois SFOV.

• Les champs d’acquisition présentés sont d’environ 50 cm pour un grand champ, 35 cm pour un champ moyen et 25 cm pour un petit champ.

📌 Une coupe fine améliore la résolution spatiale, mais réduit le signal et nécessite davantage de mA pour maintenir un bon rapport signal/bruit.

📌 Une collimation plus large accélère l’acquisition, mais augmente l’effet de cône et diminue la résolution.

📖 7. Reconstruction des images TDM

🔑 Notions clés & Définitions

• Image native : Une image native est une image axiale dont l’épaisseur de reconstruction ne peut pas être inférieure à l’épaisseur nominale d’acquisition.
• Incrément de reconstruction : L’incrément de reconstruction est la distance entre les centres de deux images reconstruites successives; les images peuvent être jointives, chevauchées ou espacées.
• Matrice : La matrice est constituée de colonnes et de lignes; en TDM, elle est carrée, avec un nombre de colonnes égal au nombre de lignes.
• Pixel : Un pixel est un élément unitaire de surface exprimé en mm²; une matrice plus grande comporte plus de pixels et produit des pixels plus petits.
• Voxel : Le voxel est un élément de volume en mm³ dont la taille dépend de la taille du pixel et de l’épaisseur de l’image.

★ À maîtriser

• L’épaisseur de reconstruction est choisie selon la pathologie recherchée et le rapport signal/bruit nécessaire: l’os permet des images fines grâce à son contraste spontané élevé, tandis que les tissus à faible contraste nécessitent des images plus épaisses.

• Le filtre de résolution de densité, dit mou, renforce les basses fréquences, étudie des structures de densité proche et détermine la résolution en contraste.

• Le filtre de résolution spatiale, dit dur, renforce les hautes fréquences, étudie des structures de densité éloignée et détermine la résolution spatiale.

• À matrice identique, diminuer le champ de reconstruction améliore la résolution spatiale, contrairement au zoom calculé qui détériore cette résolution.

Compléments

• Les images natives servent à l’interprétation axiale et à réaliser des reconstructions secondaires, notamment MPR et MIP.

📌 Les reconstructions espacées ne sont jamais utilisées pour les images natives: les mesures entre les images sont acquises, mais ne sont pas reconstruites.

• Pour éviter les marches d’escalier en post-traitement, les images natives sont chevauchées d’au moins 30 %; elles sont actuellement souvent incrémentées de 50 %.

📌 Les images destinées à un post-traitement MIP ou VRT nécessitent un filtre de résolution de densité, car les filtres de résolution spatiale produisent trop de bruit.

• Pour les reins, dont les densités sont comprises entre +10 et +50 UH, le filtre de résolution de densité est indiqué; pour l’os, dont les densités vont de −20 à plus de +1000 UH, le filtre de résolution spatiale est indiqué.

💡 Astuce mémo

Le filtre mou privilégie le contraste, le filtre dur la résolution spatiale.

📖 8. Échelle de Hounsfield et fenêtrage

🔑 Notions clés & Définitions

• Échelle de Hounsfield : L’échelle de Hounsfield classe les tissus selon leur capacité à atténuer les rayons X et attribue à l’eau la valeur de référence 0 UH.
• Fenêtrage : Attribution de l’échelle de gris à une partie spécifique de l’échelle de Hounsfield pour mieux visualiser les tissus ciblés.

★ À maîtriser

📐 Formule - La valeur en unités Hounsfield est donnée par $UH=\frac{\mu_T-\mu_{H_2O}}{\mu_{H_2O}}\times1000$, où $\mu_T$ est le coefficient d’atténuation du tissu étudié et $\mu_{H_2O}$ celui de l’eau.

📌 Une fenêtre étendue donne un faible contraste entre deux pixels de valeurs proches, tandis qu’une fenêtre étroite donne un contraste élevé entre ces pixels.

Compléments

• L’échelle présentée va de −1000 UH pour l’air à +1000 UH ou davantage pour l’os.

• Les structures peu denses comme le parenchyme pulmonaire se situent dans la partie négative de l’échelle, les tissus mous ont des coefficients proches de −100 à +100 UH et les structures denses dépassent +100 UH jusqu’à plusieurs milliers d’UH.

• L’œil humain ne distingue qu’environ 20 niveaux de gris; afficher toute l’échelle de Hounsfield ne permet donc pas de distinguer correctement les tissus mous.

📌 Le fenêtrage est caractérisé par le niveau WL, qui correspond au centre de la fenêtre, et par la largeur WW, qui détermine l’étendue des valeurs affichées.

• La fenêtre osseuse utilise un niveau élevé et une largeur étendue, la fenêtre molle un niveau proche de 0 et une largeur étroite, et la fenêtre pulmonaire un niveau bas et une largeur étendue.

📖 9. Post-traitements en imagerie TDM

🔑 Notions clés & Définitions

• MIP : La MIP (Maximal Intensity Projection), très utilisée en imagerie vasculaire, sélectionne les voxels d’intensité maximale et utilise une épaisseur de reconstruction importante.
• MinIP : La MinIP (Minimal Intensity Projection) sélectionne les voxels d’intensité minimale et est particulièrement utilisée pour étudier les structures aérées.
• VRT : La VRT (Volume Rendering Technique) produit une visualisation 3D en prenant en compte tous les voxels et peut aider à la chirurgie.

📝 Points essentiels

• Les reconstructions multiplanaires (MPR) permettent de reconstruire les images dans les trois plans; les MPR curvilignes suivent une trajectoire courbe, par exemple celle de vaisseaux, de nerfs ou de la mandibule.

📌 Pour les post-traitements, l’épaisseur de reconstruction doit être égale ou supérieure à celle des images natives; l’épaississement des coupes améliore le rapport signal/bruit.

• La SRT (Surface Rendering Technique) ne prend en compte que les voxels supérieurs à un seuil défini par l’opérateur; elle n’est pas diagnostique et est utilisée en radiothérapie.

💡 Astuce mémo

MIP sélectionne les intensités maximales, MinIP les minimales.