Absorption des rayons X

Différents types d'absorption des rayons X

Il existe quatre mécanismes principaux d'atténuation des rayons X, et ils dépendent de l'énergie du photon incident. Ces quatre types se composent de deux absorptions de rayons X par diffusion et de deux absor ptions de rayons X par absorption .

Diffusion simple (Rayleigh)

La diffusion simple affecte les photons de faible énergie de l'ordre de un à 20 kiloélectronvolts (keV). Ces photons n'ont pas suffisamment d'énergie pour déplacer un électron lorsqu'ils entrent en collision avec des atomes. Le champ électrique oscillant d'un photon de rayons X interagit avec un atome du tissu, ce qui induit une force entre eux. Cette force modifie la trajectoire du photon et provoque une diffusion.

Comme la masse du photon est beaucoup plus petite que celle de l'atome, il est dévié de sa trajectoire et diffusé sans changement d'élan. En règle générale, le photon continue à se déplacer dans le sens de la dispersion vers l'avant ; cependant, il y a peu de chances qu'il soit dévié vers l'arrière après une collision frontale avec le noyau d'un atome. Ce type de diffusion n'apporte qu'une contribution mineure au coefficient d'atténuation car les rayons X utilisés en imagerie ont généralement une énergie supérieure à 20keV.

Diffusion Compton

La diffusion Compton se produit lorsqu'un photon de rayons X dont l'énergie est comprise entre 30keV et cinq MeV (mégaélectronvolts) entre en collision avec un électron d'un atome de tissu. Ces photons ont suffisamment d'énergie pour éjecter l'électron de son orbite atomique en dépassant son énergie de liaison. Les photons transfèrent également une partie de leur énergie à l'électron au cours de ce processus. Le nouveau photon de moindre énergie est également dispersé par l'interaction, ce qui entraîne ce type de diffusion, qui produit à la fois un électron libre et un photon de rayons X dispersé et de moindre énergie.

Effet photoélectriqueabsorption

L'effet photoélectrique affecte les photons dont l'énergie est inférieure à 100keV . Dans cette gamme, les photons de rayons X peuvent avoir uneénergie égale à l'énergie de liaison des coquilles des atomes du tissu. Le photon et son énergie peuvent ainsi être absorbés par l'atome, et l'énergie est transférée à un électron qui est éjecté de l'atome. Cela crée un atome ionisé dans un état d'énergie plus élevé, qui retourne à son état fondamental en émettant des rayons X d'une longueur d'onde caractéristique du type d'atome. Ces rayons X émis se situent à un niveau d'énergie différent de celui du photon incident et ne voyageront pas de manière cohérente avec les photons de rayons X provenant de la source.

Absorption par production de paires

Ce mécanisme affecte les photons de très haute énergie supérieurs à 1,022 MeV. À ces niveaux d'énergie, un photon peut interagir aveclenoyau d'un atome, transférant toute son énergie pour produire un électron et un positron. Ces antiparticules peuvent parcourir une courte distance avant d'interagir l'une avec l'autre (ou avec d'autres électrons/positrons proches), où elles sont annihilées et transformées en une paire de photons de 511 keV. La paire de photons nouvellement produits voyage depuis le point d'annihilation dans des directions diamétralement opposées, ce qui garantit la conservation de la quantité de mouvement. L'effet de l'absorption de la production de paires croît à mesure que l'énergie du photon augmente, ce qui signifie qu'il s'agit du mécanisme dominant à haute énergie.

Aperçu des différents types d'absorption des rayons X

Les photons de faible énergie sont plus facilement atténués que ceux dont l'énergie est plus élevée lors d'un examen aux rayons X. En effet, la probabilité d'absorption photoélectrique (le principal mécanisme d'atténuation aux niveaux d'énergie des scanners à rayons X) est proportionnelle à (Z/E)³, où Z est le numéro atomique des atomes du tissu et E l'énergie du photon de rayons X.

Cela signifie également que les photons de faible énergie du faisceau de rayons X sont, en moyenne, absorbés plus tôt lorsqu'ils traversent le patient, ce qui se traduit par une augmentation de l'énergie moyenne des photons de l'avant vers l'arrière du patient. Comme les photons de faible énergie sont plus susceptibles d'être absorbés, la dose de dépôt d'énergie est la plus élevée au niveau delapeau du patient et diminue au fur et à mesure que le faisceau le traverse.

Implications de l'atténuation sur la procédure de radiographie

Comme la majeure partie du dépôt d'énergie se produit près de la peau, l'un des risques des rayons X est de provoquer des lésions cutanées. Ce risque est plus important pour les patients de grande taille, car ils auront besoin de doses plus élevées pour que le faisceau pénètre les parties du corps et produise une image utile.

Lescoefficients d'atténuation permettent d'estimer quels types de tissus représentent les différentes régions en fonction de l'atténuation de l'intensité initiale du faisceau.

Formule d'absorption des rayons X : coefficient d'atténuation

Les quatre principaux mécanismes d'atténuation décrits ci-dessus montrent que pour des photons d'une énergie donnée, le matériau (influence Z) et l'épaisseur du tissu contrôlent la quantité d'atténuation que subit le faisceau de rayons X. L'intensité des rayons X transmis à travers une substance par rapport à l'intensité initiale du faisceau est donnée par l'équation ci-dessous.

\[I = I_0 \cdot e^{-\mu x}\]

_I0 est l'intensité initiale des photons, x est l'épaisseur du tissu (distance parcourue), et μ est le coefficient d'atténuation linéaire pour l'énergie des photons. Des valeurs plus grandes de μ indiquent une atténuation plus importante des rayons X, ce qui signifie que les substances comme les os ont un coefficient plus important que les tissus mous. L'unité SI des coefficients d'atténuation est le ^m-1.

Effet de l'atténuation sur la dose

Si nous voulons produire une image radiographique avec un bon niveau de détail, la plaque de détection numérique doit mesurer un nombre suffisamment important de photons pour se démarquer dubruit de fond . Le bruit provient des photons qui ont été dispersés lors de leur passage dans le corps, ou il peut arriver au hasard d'une autre source. Le rapport entre les photons non atténués du faisceau de rayons X (signal) et le bruit de fond est le rapport signal-bruit(RSB). Dans le cas des rayons X, le RSB est lié au nombre de photons N dans la dose de rayons X.

\N- [SNR \Npropto \Nsqrt N\N]

Le RSB s'améliore à mesure que le nombre de photons augmente, ce qui produit une image avec plus de détails utiles.

Nous pouvons augmenter le nombre de photons de deux façons : en prolongeant le temps d'exposition (mA) ou en augmentant la tension d'accélération dans le tube à rayons X (car N \(\propto\) ^KV3).

L'augmentation du niveau d'énergie des photons entraîne également une proportion plus faible d'atténuation par les tissus du patient, ce qui compense l'énergie plus élevée des photons et se traduit par une dose globale absorbée plus faible. Cependant, comme le niveau d'énergie des rayons X augmente et que le taux d'atténuation diminue, le niveau de contraste de l'image produite est moins bon en raison de l'atténuation qui crée le contraste entre les types de tissus. Par conséquent, l'équilibre entre le contraste de l'image, le bruit et la dose au patient nécessite un compromis entre l'énergie des photons/la tension d'accélération et le temps d'exposition.

Agents de contraste

Certains tissus mous ont des coefficients d'atténuation trop faibles pour créer suffisamment de contraste dans une image radiographique, nous pouvons donc utiliser des produits de contraste pour améliorer la visibilité de ces structures. Les composés de brome ou d' iode sont les deux produits de contraste les plus couramment utilisés car ils sont inoffensifs pour l'homme et ont un numéro atomique élevé (Z), ce qui représente de gros atomes avec de nombreux électrons.

Le principal mécanisme d'atténuation pour l'imagerie par rayons X est l'effet photoélectrique. Comme ce mécanisme repose sur la collision du photon entrant avec un électron, les gros atomes ayant un plus grand nombre d'électrons sont plus susceptibles de provoquer une diffusion photoélectrique que les plus petits. Pour cette raison, le coefficient d'atténuation photoélectrique est proportionnel au cube du numéro atomique (μ \(\propto\) ^Z3), ce qui rend l'iode ou le brome beaucoup plus absorbants que les tissus mous, qui contiennent principalement atomes plus petits. Cela permet d'injecter ces composés dans les vaisseaux sanguins ou le tube digestif pour capturer des images aux rayons X des structures des tissus mous.