Fiche de révision : Bases physiques des rayons X

📋 Plan du Cours

1. Rayonnement X et repères historiques
2. Production des rayons X
3. Fonctionnement du tube à rayons X
4. Formation et atténuation de l’image
5. Qualité de l’image radiographique
6. Détection et contraste radiographiques
7. Radiographie et tomodensitométrie
8. Dosimétrie et radioprotection

📖 1. Rayonnement X et repères historiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement : Flux de particules en mouvement rapide, de nature et d’énergie cinétique variées, d’origine naturelle ou artificielle.

★ À maîtriser

• Les rayons X ont été découverts en 1895 par Wilhelm Röntgen, qui a reçu le prix Nobel de physique en 1901.

Compléments

• Le premier tomodensitomètre, ou scanner X, a été mis au point dans les années 1970 par la firme EMI.

💡 Astuce mémo

1895 : Röntgen → 1896 : usages médicaux → années 1970 : scanner

📖 2. Production des rayons X

★ À maîtriser

• Les rayons X peuvent être produits par:

  • fluorescence X
  • rayonnement de freinage
  • rayonnement synchrotron

• La fluorescence X résulte de l’ionisation d’un atome, de l’éjection d’un électron proche du noyau, puis du réarrangement électronique qui émet des raies caractéristiques telles que Kα, Kβ et Lα.

• Le rayonnement de freinage est produit lorsqu’un électron est dévié et ralenti au voisinage d’un noyau, sa perte d’énergie cinétique étant émise sous forme de rayon X.

Compléments

• Le rayonnement de freinage produit un spectre continu de photons dont l’énergie peut aller de valeurs proches de zéro jusqu’à une valeur proche de l’énergie cinétique de l’électron incident.

💡 Astuce mémo

Fluorescence : raies caractéristiques ; freinage : spectre continu

📖 3. Fonctionnement du tube à rayons X

🔑 Notions clés & Définitions

• Tube à rayons X : Enveloppe de verre sous vide contenant une cathode à filament et une anode, le plus souvent un disque tournant en tungstène.

★ À maîtriser

• La différence de potentiel entre la cathode négative et l’anode positive accélère les électrons, dont les interactions avec l’anode produisent les rayons X.

📐 Formule — La charge totale d’exposition vérifie $1\,\mathrm{mAs}=1\,\mathrm{mC}$, et les tensions usuelles du tube sont comprises entre 80 et 120 kV.

📐 Formule — L’énergie maximale d’un photon X est égale à l’énergie cinétique de l’électron incident, soit $KE=qU$.

• Le rendement d’un tube à rayons X est d’environ 1 % à 100 kV avec une anode de tungstène de numéro atomique Z=74, tandis que 99 % de l’énergie consommée devient de la chaleur dans l’anode.

Compléments

📐 Formule — Le pouvoir d’arrêt est la perte d’énergie par unité de longueur et vérifie $S=\frac{dE}{dx}$ et $S_{tot}=S_{coll}+S_{rad}$.

💡 Astuce mémo

Accélération des électrons → interactions avec l’anode → émission des rayons X

📖 4. Formation et atténuation de l’image

🔑 Notions clés & Définitions

• Image radiante : Flux de photons émergent de l’objet radiographié, formé par les différences de transmission des tissus traversés.

📝 Points essentiels

• En radiographie, le faisceau produit par le tube est collimaté et filtré, traverse l’air puis le patient où il est atténué, forme l’image radiante et atteint enfin le détecteur.

• 🔄 L’effet photo-électrique comprend: absorption totale du photon, émission d’un photo-électron, réarrangement électronique avec fluorescence ou électron Auger

• 🔄 L’effet Compton comprend: absorption partielle par un électron périphérique, diffusion du photon, émission d’un électron diffusé

📐 Formule — Le nombre de photons transmis vérifie $N=N_0e^{-\mu x}$, où la transmission diminue lorsque le coefficient d’atténuation μ ou l’épaisseur x augmente.

📌 L’effet photo-électrique prédomine aux faibles énergies et dans les matériaux denses, tandis que l’effet Compton prédomine aux énergies élevées et dans les matériaux peu denses.

💡 Astuce mémo

Photo-électrique : absorption totale ; Compton : diffusion partielle

📖 5. Qualité de l’image radiographique

★ À maîtriser

• En radiologie, pour des énergies comprises entre 80 et 100 keV, l’effet Compton est prédominant.

• Le flou radiographique provient principalement de:

  • rayonnement diffusé par effet Compton
  • flou géométrique lié au foyer non ponctuel
  • flou cinétique lié aux mouvements du patient

Compléments

• Une grille anti-diffusante limite le flou en éliminant une partie des photons diffusés produits dans le patient.

• Le flou géométrique est réduit en diminuant la distance objet-détecteur et en augmentant la distance foyer-objet.

• Le flou cinétique augmente lorsque le temps de pose augmente, car il est lié aux mouvements physiologiques ou fortuits du patient.

📖 6. Détection et contraste radiographiques

★ À maîtriser

• Les détecteurs radiographiques comprennent:

  • film radiographique
  • amplificateur de brillance
  • écrans radioluminescents à mémoire (ERLM)
  • capteurs plans

• Un ERLM stocke l’énergie des rayons X sous forme d’image latente, puis une stimulation laser libère les charges et la lumière émise est convertie en signal électrique par un photomultiplicateur.

📌 Les capteurs plans convertissent directement ou indirectement l’image radiante en signal électrique puis la numérisent, sans système de lecture séparé.

📐 Formule — Le contraste radiographique est défini par $C=\frac{signal\ objet-signal\ fond}{signal\ objet+signal\ fond}$.

Compléments

• Dans un film radiographique, les rayons X impressionnent un écran de cristaux luminescents et noircissent le film photographique par transformation du bromure d’argent en argent métallique.

• Les détecteurs numériques ont une meilleure efficacité de détection et une meilleure plage dynamique que les détecteurs analogiques, ce qui permet de réduire l’irradiation des tissus.

💡 Astuce mémo

Détecter → convertir → numériser → visualiser

📖 7. Radiographie et tomodensitométrie

🔑 Notions clés & Définitions

• Tomodensitométrie : Imagerie en coupe qui enregistre des projections 2D autour du patient afin de reconstruire un objet 3D.

★ À maîtriser

• Les opacités naturelles augmentent dans l’ordre suivant:
  • air
  • graisse
  • eau
  • os

📌 Un tissu dense atténue davantage le faisceau et apparaît blanc sur le détecteur, tandis qu’un tissu peu dense l’absorbe moins et apparaît noir.

📐 Formule — En acquisition hélicoïdale, le pitch vérifie $pitch=\frac{distance\ parcourue\ par\ révolution}{largeur\ du\ collimateur}$ ; lorsqu’il augmente, l’acquisition est plus rapide et l’exposition aux rayonnements ionisants diminue, au détriment de la qualité d’image.

📐 Formule — L’unité Hounsfield est définie par $UH=\frac{\mu_X-\mu_{eau}}{\mu_{eau}}\times1000$, avec une valeur conventionnelle de 0 pour l’eau et de -1000 pour l’air. — Godfrey Hounsfield

Compléments

• Les produits de contraste artificiels radiographiques sont notamment à base d’iode ou de baryum, éléments à numéro atomique élevé.

• Les scanners modernes utilisent des détecteurs multicoupes capables d’acquérir simultanément 16, 64, 128 ou 256 coupes.

💡 Astuce mémo

Radiographie : projection 2D ; tomodensitométrie : coupes reconstruites en 3D

📖 8. Dosimétrie et radioprotection

★ À maîtriser

📌 Toute exposition aux rayonnements ionisants doit être justifiée et optimisée selon le principe ALARA, qui impose une dose aussi faible qu’il est raisonnablement possible d’atteindre.

• Les niveaux de référence diagnostiques sont établis par l’Autorité de sûreté nucléaire à partir de la valeur médiane des déclarations annuelles des centres réalisateurs. — Autorité de sûreté nucléaire (ASN)

📐 Formule — En radiographie standard, le produit dose surface vérifie $PDS=Kerma\ dans\ l’air\times aire\ du\ champ\ d’exposition$, et la dose efficace vérifie $E=PDS\times k$.

📐 Formule — En tomodensitométrie, le produit dose longueur vérifie $PDL=IDSP\times longueur\ explorée$ et la dose efficace vérifie $E=PDL\times k^*$.

Compléments

• L’IDSP correspond à une dose moyenne en mGy mesurée dans un cylindre de 16 cm pour la tête ou de 32 cm pour le corps, et l’IDSP ainsi que le PDL doivent apparaître sur les comptes rendus de tomodensitométrie.

• La dose dépend notamment de: l’énergie des photons, la charge du tube, la vitesse de rotation, le pitch, l’utilisation éventuelle d’un produit de contraste

💡 Astuce mémo

Justification et optimisation → dose réduite → risque radio-induit limité

📊 Tableaux de synthèse

Interactions des rayons X