Imagerie médicale à base de photons
Radiologie, tomographie X, tomographie gamma et positons, imagerie optique

Sommaire et contenu du livre "Imagerie médicale à base de photons - Radiologie, tomographie X, tomographie gamma et positons, imagerie optique"

Table des mati?s
Pr?ce .. 17

Guy Frija
Chapitre 1. Les bases physiques: l'interaction rayonnement-mati?,
ses cons?ences sur la d?ction et l'imagerie m?cale 19

Jean-Pierre Moy

1.1.
Les limites de l'imagerie utilisant la lumi?. 19

1.2.
Imagerie avec d'autres rayonnements . . . . . 20

1.3.
Les rayons X: leur interaction avec la mati?. 22

1.3
.1. Nature des rayons X, production. . . 22

1.3.2.
Loi de Beer-Lambert. . . . . 23

1.3.3.
L'effet photo?ctrique. . . . . . . . . 24

1.3.3.1.
Cas d'un corps simple. . . . 24

1.3.3.2.
Mat?au compos?m?nge 26

1.3.3.3.
Application au filtrage. . . . 28

1.3.3A.
Pouvoir ionisant . . . . . . . 29

1.3.3.5.
Fluorescence X, ?appement. . 30

1.3
A. Cr?iondepaires. ............ 32

1.3.5.
D?ation et perte d'?rgie. L'effet Compton. 32

1.3.5.1.
Indice de r?action. . 35

1.3.6.
Absorption et att?ation. . 36

1.3.7.
Effets chimiques. . . . . . . . 37

1.3.8.La
dose............. ...... 37

lA.
L'imagerie radiologique repose sur l'interaction rayons X-mati?. 38

10 Imagerie m?cale ?ase de photons
1.4.1.
Constitution de l'image . 38

1.4.2.
R?du rayonnement diffus? 41

1.5.
Cons?ences des modes d'interaction sur la d?ction. 42

1.5.1.
Le signal, les bruits .. 43

1.5.1.1.
Absorption. . . . . . . . . 44

1.5.1.2.
Echappement . 45

1.5.1.3.
Le mat?au d?cteur .. 45

1.5.2.
Comptage, int?ation ..... 48

1.5.3.
Les probl?s sp?fiques de l'imagerie. 49

1.5.3.1.
R?lutionspatiale et dose . 50

1.5.3.2.
Echantillonnage . 51

1.5.3.3.
Taille du volume d'interaction. Parallaxe 53

1.6.
Conclusion .. 53

1.7.
Bibliographie . 54

Chapitre 2. Les d?cteurs pour l'imagerie m?cale . . . . . . . . . 55

Herv?ANET

2.1.
Interaction rayonnement mati? et foonation du signal . . . . . . . .. 56

2.1.1.
Cas simple d'un d?cteur plan: explication ph?m?logique. 56

2.1.2.
Cas g?ral du d?cteur multi-?ctrodes et champs
de pond?tion , 60

2.1.3.
Cas d'un d?cteur r?. , 67

2.1.4.
Exemples du d?cteur silicium et du d?cteur ?istes ou pixels 71

2.1.4.1.
D?cteur plan. . . . . . . . . . 71

2.1.4.2.
D?cteur ?istes ou ?ixels. . . . . . . 74

2.1.5.
Influence de la taille du d?cteur . . . . . . . 75

2.1.6.
Comment le probl? peut se compliquer. . 79

2.1.7.
Utilisations des impulsions de courant ?es fins de mesure. 80

2.2.
Les mesures de flux, d'?rgie, de temps et de position . 86

2.2.1.
Les mesures de flux. . . . 86

2.2.2.
Les mesures d'?rgie. 91

2.2.3.
Le bruit ?ctronique. 95

2.2.4.
Mesures de temps. . . . 104

2.2.5.
Mesures de position. . . 107

2.3.
Les d?cteurs semi-conducteurs 110

2.3.1.
La chambre d'ionisation solide. . 110

2.3.2.
Les d?cteurs semi-conducteurs ?onction 112

2.3.2.1.
Explication ph?m?logique . . . . 112

2.3.2.2.
Mod?sation de la d?ction par diode. . 113

Table des mati?s Il
2.3.3.Laphotoconduction.
................ 116

2.3.4.
Mat?aux semi-conducteurs pour la d?ction. 119

2.3.5.D?cteurssilicium.
................ 122

2.3.5.1.
D?cteurs implant?et barri? de surface 122

2.3.5.2.
D?cteurs silicium-lithium. 123

2.3.6.
D?cteurs germanium. . . . . . . . . . . . . . 124

2.3.7.
D?cteurs tellurure de cadmium. . . . . . . . 126

2.4.
M?nisme de la scintillation et cha? de mesure. 128

2.4.1.
Cha? de mesure ?ase de scintillateur 128

2.4.2.
M?nismes de la scintillation 129

2.4.3.
Mat?aux inorganiques. . . . . . . . . . 131

2.4.4.
Mat?aux organiques . . . . . . . . . . . 132

2.4.5.
Qualit?es mesures de temps et d'?rgie. 133

2.4.6.
Fonctionnement et utilisation des photomultiplicateurs 137

2.4.7.
Technologie des photocathodes. . . . . . . . . . . . . 138

2.4.8.
Couplage du scintillateur et du photomultiplicateur. . 139

2.4.9.
Les photodiodes. . . . . . . . 140

2.5.Lesimageurs............. 143

2.5.1.
Caract?stiques principales. 143

2.5.2.
Les technologies d'imageurs 145

2.5.2.1.
Le couple film ?an. . 145

2.5.2.2.
L'intensificateur d'images 145

2.5.2.3.
Les ?ans photo-stimulables. 146

2.5.2.4.
Les panneaux plats. . . . . . . 146

2.5.2.5.
Les d?cteurs pour gamma cam?. . 147

2.5.2.6.
Les d?cteurs pour cam?s positons. 148

2.6.Bibliographie.
..................... 148

Chapitre 3. Traitement des images de radiographie num?que pour
laquantification .................................. 149

Jean R1NKEL et Jean-Marc DfNTEN

3.1.
Introduction aux capteurs plans. . . . . . . . 149

3.1.1.
Techniques de d?ction des rayons X. 150

3.1.1.1.
D?ction indirecte. . . . . 150

3.1.1.2.
D?ction directe. . . . . . 151

3.1.2.
Evaluation des performances. . 152

3.1.2.1.
Grandeurs caract?stiques 152

3.1.2.2.
Comparaison de diff?nts syst?s 153

3.1.3.
Applications cliniques. . . . . . . . . . . . 154

12
Imagerie m?cale ?ase de photons
3.2.
Relation entre les grandeurs physiques et l'acquisition radiographique 155

3.2.1.
Loi d'att?ation . . . 155

3.2.2.
Poly-chromaticit?. . 156

3.2.3.
Rayonnement diffus?157

3.2.4.
R?nse du capteur. . 158

3.2.5.Synth?
........ 159

3.3.
Acc?aux coefficients d'att?ation lin?re ?artir de l'image
d'att?ation................................... 160

3.3.1.
Traitements li?aux effets du capteur. . . . . . . . . . . . . . 160

3.3.1.1.
Mod?sation de la fonction de r?nse d'un pixel J;,j 160

3.3.1.2.Correction
degain...................... 162

3.3.1.3.
Une m?ode de correction de la non-lin?it?. . . 163

3.3.1.4.
Une m?ode de correction de la PSF du capteur par
d?nvolution.......................... 164

3.3.2.
Traitement du raYOJU1ement diffus?ar le patient. . . 167

3.3.2.1.
Revue des principales approches de correction
durayonnement diffus?........................ 167

3.3.2.2.
M?ode de correction du rayonnement diffus?ouplant
mod?sationanalytiqueetcalibrage ................. .. 169

3.4.
Acc??es grandeurs physiques en combinant plusieurs radiographies

d'uncapteurplan .......... 176

3.4.1.
L'imageriebi-?rgies. . . . . . . . . . . . . . . . . 176

3.4.2.CTaveccapteur
plan. ................. 181

3.4.2.1.
Vers la tomographie avec capteur plan. . . . 181

3.4.2.2.
Adaptation de la m?ode de correction du diffus?183

3.4.2.3.
R?ltats. 184

3.5.
Conclusion. . 186

3.6.
Bibliographie. . . . . . 187

Chapitre 4. La tomographie par rayons X . 189

Fran?se PEYRlN et Philippe DOUEK

4.1.
Introduction . 189

4.2.
Principe des premiers syst?s d'acquisition . 190

4.2.1.
Syst?s translation-rotation: le et 2e g?rations. 191

4.2.2.
Syst?s ?aisceau ?ntail: 3e et 4e g?rations 193

4.3.
Aspects physiques et probl? direct . 193

4.3.1.
Nature de l'image tomographique . 194

4.3.2.
Mod?sation du ph?m? physique 195

4.3.3.
Mod?sation des donn? . 197

4.4.
Principe de la reconstruction d'images tomographiques 198

4.4.1.
Position du probl?. . . . . . . . . . 198

4.4.2.
M?odes analytiques . . . . . . . . . . . . 199

4.4.2.1.
Th?? coupe-projection. . . . . . 199

4.4.2.2.
Algorithme par r?oprojection filtr?00

4.4.2.3.
Qualit?e l'image et artefacts. 203

4.4.3.
M?odes discr?s. . . . . . . . 206

4.4.3.1.
Expression du probl?. . . . . 206

4.4.3.2.
M?odes it?tives: ART, SIRT 208

4.4.4.3.
Autres m?odes. . . . . . . . . . 210

4.4.Conclusion
.................... 211

4.5.
Evolution des scanners X et des algorithmes de reconstruction . . 212

4.5.1.
Syst?s spiral?ou h?co?ux. . . . . . . . . . . 212

4.5.2.
Syst?s r?lement 3D : parall? ou divergents. 215

4.5.3.
Syst?s divergents h?co?ux. 218

4.5.4.
Syst?s dual source ...... 219

4.5.5.
Notions de dosim?ie . . . . . 219

4.6.
Exemples d'applications cliniques. . 220

4.6.1.Introduction
............ 220

4.6.2.
Scanner cardiaque: synchronisation ?'ECG 221

4.6.2.1
. Mode s?entiel prospectif. . . . . 222

4.6.2.2.
Mode h?co?l r?ospectif. . . . 223

4.6.2.3.
Indications cliniques. . . . . . . . . 225

4.6.3.Imageriedeperfusion
........... 227

4.6.3.1.
Acquisition dynamique avec d?cteurs ?arge couverture. 228

4.6.3.2.
Application ?a perfusion c?brale. . . 228

4.7.
De la tomographie ?a micro-tomographie. . 230

4.7.1.
Applications ost?articulaires . . . . . . 230

4.7.2.
Syst?s de tomographie p?ph?que. 231

4.7.3.
Syst?s de micro-tomographie. . 231

4.8.
Conclusion . . 233

4.9.Bibliographie................. 234

Chapitre 5. La tomographie par ?ssion de positons
: principes
et applications. ................................. 239

R?ne TREBOSSEN

5.1.Introduction.
................................. .. 240

5.1.1.D?llition.
............................... .. 240

5.1.2.
La TEP par rapport aux autres techniques d'imagerie mol?laire 241

14
Imagerie m?cale ?ase de photons
5.2.
La TEP: principe et performances . 242

5.2.1.
Les radio-pharmaceutiques . 242

5.2.2.
Le principe physique de la TEP. 244

5.2.2.1.
Ev?ments d?ct?.... 244

5.2.2.2.
Acquisition des ?nements . 245

5.2.3.
Traitement des donn? acquises . 247

5.2.3.1.
Organisation des ?nements acquis . 247

5.2.3.2.
Reconstruction d'images ?artir des ?nements acquis. 247

5.2.3.3.
Normalisation des donn? acquises .. 249

5.2A.
Reconstruction des images .... 249

5.2A.1.
Reconstructions analytiques . 249

5.2A.2.
Reconstructions it?tives ... 250

5.2.5.
Principales performances des TEP. 250

5.2.5.1.
R?lution spatiale . 250

5.2.5.2.
La sensibilit? 251

5.2.5.3.
Les taux de co?idences et le NECR .. 251

5.3.
Les tomographes . 252

5.3.1.
D?cteur . 252

5.3.1.1.
Les cristaux scintillants . 253

5.3.1.2.
Le convertisseur lumi?-signal ?ctrique. 253

5.3.1.3.
Le couplage des cristaux aux convertisseurs. 254

5.3.1A.
Les convertisseurs directs. 254

5.3.2.
Les syst?s TEP . 255

5.3.3.
Arrangement des d?cteurs . 255

5.3A.
Uniformit?e la r?lution spatiale sur le champ de vue
des syst?s: la mesure de la profondeur d'interaction . 256

5.3.5.
La mesure du temps de vol . 256

SA.
Application clinique de la TEP bilan d'extension des cancers. 257

5A.1.
Bases physiologiques . 257

5A.2.
Protocole d'acquisition et de reconstruction . 258

5A.3.
Interpr?tion des images: sensibilit?p?ficit?e cette modalit?d'imagerie m?cale. . . . . . 258

5.5.
Conclusion .. 259

5.6.
Bibliographie . 260

Chapitre 6. L'imagerie mono-photonique. 263

Ir? BUVAT

6.1.
Introduction . 263

6.2.
Principe g?ral de l'imagerie mono-photonique 264

6.2.1.
Radiotraceurs . 264

6.2.2.D?cteurs
.............................. 265

6.2.3.Traitementdu
signal........................ 266

6.3.
Syst? de d?ction classique en imagerie mono-photonique:
lagamma-cam? ?intillations ...................... 267

6.3.1.
Principe g?ral d'une gamma-cam? ?cintillations classique. 267

6.3.2.
Variantes dans les composantes de la cam? ?cintillations. . 269

6.3.2.1.
Collimateur. . . . . . . . . . 269

6.3.2.2.Scintillateur........................ 270

6.3.2.3.
Tubes photomultiplicateurs. . . . . . . . . . . . . . . 272

6.3.3.
Performances et utilisation des cam?s ?cintillations

classiques .......................... 273

6.4.
Syst?s innovants : d?cteurs ?emi-conducteurs 275

6.5.
Reconstruction tomographique et corrections. . . . . 276

6.5.1.
Reconstruction tomographique . . . . . . . . . . 276

6.5.1.1.
Reconstruction analytique par r?oprojection filtr? 278

6.5.1.2.
Reconstruction it?tive. . . . 281

6.5.1.3.
Reconstruction 3D . 284

6.5.2.
Corrections. . . . 285

6.5.2.1.
Att?ation . . . . . . . 286

6.5.2.2.
Diffusion. . . . . . . .. 288

6.5.2.3.
R?lution spatiale non stationnaire. 289

6.5.2.4.
Effet de volume partiel . . . . 291

6.5.2.5.
Mouvement. 292

6.6.
D?cteurs hybrides. . . . 294

6.7.
Applications. . . . . . . . 296

6.8.
D?loppements futurs. . 297

6.9.
Conclusion. . . 298

6.10.
Bibliographie. . . . . . . . . 299

Chapitre 7. L'imagerie optique. 303

Anabela DA SILVA

7.1.Introduction.
................................. 303

7.2.
Physique de la propagation lumineuse dans les tissus biologiques . 305

7.2.1.
Echelles de mesure et r?lution: diff?ntes techniques
d'imagerie..................... 305

7.2.2.
Interaction lumi?-mati?. 307

7.2.2.1.
L'indice de r?action 307

7.2.2.2.L'absorption.
............ 308

7.2.2.3.La
diffusion............. 311

7.2.3.
Du probl? direct au probl? inverse. . 315

7.2.3.1.
Les mod?s de propagation de la lumi? dans les milieux

diffusants
: r?lution du probl? direct . . . . . . . . . . . . . . .. 317

7.2.3.2.
Probl? inverse du diagnostic ?'imagerie 3D . . . . . .. 326

7.3.
Diff?ntes techniques d'imagerie optique pour diff?ntes applications 328

7.3.1.
S?ction des photons balistiques ou serpentiles . 329

7.3.1.1.
S?ction spatiale. 329

7.3.1.2.
S?ction temporelle. . . . . . . . . . 330

7.3.1.3.
S?ction par coh?nce temporelle. 331

7.3.2.
Photons multi-diffus?. . . . . . 332

7.3.2.1.
Imagerie du petit anima!. . . 334

7.3.2.2.
Imagerie du corps humain. . 340

7.3.2.3.
Les techniques alternatives. 349

7.4.
Conclusion . . 353

7.5.Bibliographie.
............... 354

Index. ......................................... .. 367