Utilisateur:Antoine Mercier-Linteau/Brouillons/Radiologie diagnostique/Principes physiques

Rayons X

Les rayons X sont le type de rayonnement utilisé pour produire des images de radiographie et de tomodensitométrie.

Histoire

Les rayons X ont été découverts par le physicien Wilhelm Roentgen en 1895. Méconnaissant leur nature, il les a nommés ‘’Rayon- X ‘’, X étant un inconnu. Il a reçu le prix Nobel en physique pour cette découverte.

Principes :

Les rayons X sont des ondes électromagnétiques ionisés. C’est-à-dire, une forme d’énergie ou de photon (lumière invisible) capable de mobiliser les électrons des atomes et les transformant ainsi en ions.  Le processus d’ionisation est la principale cause de dommage biomoléculaire. Ils sont produits par un tube à rayon X.

Les rayons X interfèrent avec la matière via deux types de processus :

L’effet photoélectrique

Cet effet est maximal lorsque l’énergie du photon incident est égale ou juste supérieure à l'énergie de liaison de l'électron dans sa coquille et lorsque cet électron est étroitement lié.

L'électron qui est enlevé par l’énergie du rayon X est alors appelé photoélectron et le photon incident est complètement absorbé dans le processus. Ainsi, l'effet photoélectrique atténue le faisceau de rayons X lorsqu'il traverse la matière.

Les rayons X sont absorbés de façon différente par les différents tissus du corps. En fait, l'absorption est directement proportionnelle au numéro atomique (Z) du tissu traversé, indirectement proportionnelle à l'énergie du photon incident (E) et directement proportionnelle à la densité physique du milieu atténuateur (p)

Z³ p / E³

Ainsi, si le numéro anatomique (Z) double, l'absorption photoélectrique augmentera d'un facteur 8 (2³ = 8), et si l’énergie du photon (E) double, l'absorption photoélectrique diminuera d'un facteur 8.

Une des implications pratiques à cette formule est en rapport avec l’utilisation du plomb (Z= 82) comme matériel de blindage et de radioprotections. Cet effet est aussi utilisé en mammographie et pour améliorer le contraste d’image lors de l’utilisation d’agents de contraste.

L’effet Compton

Cet effet a été observé par Arthus Compton en 1923 et il a ainsi mérité le prix Nobel de physique en 1927. Il est observé lorsqu’un photon incident entre en collision avec un électron de la couche de valence (couche externe) ou un électron libre (non attaché à l’atome). Ce photon est alors diffusé et transmet de l’énergie à l’électron. Cet électron sera ionisé et éjecté de l’atome tandis que le photon diffusé possèdera alors une longueur d’onde allongée

E= hc / λ, (h= la constant de Planck, c= vitesse de la lumière). 

Par cet effet, le photon diffusé perd de l’énergie change de direction selon un angle θ (décalage Compton). La nouvelle longueur d’onde est ainsi déterminée par l’équation suivant :

0,024 (1-cos θ)

Ainsi, l'énergie du photon diffusé diminue avec l'augmentation de l'angle du photon diffusé.

L’effet Compton est directement proportionnel au nombre d’électrons de la couche externe et de la densité du matériel. Il est inversement proportionnel à l’énergie photonique. Il ne dépend aucunement du numéro atomique.

L’effet Compton prédomine lorsque les tissus humains sont irradiés par 30 keV à 30 MeV, qui correspond à l’intervalle de rayon diagnostic et thérapeutique.

Tube à rayon X :

C’est le principal convertisseur d’énergie. Il reçoit l’énergie électrique et la convertie en rayon X. une grande partie de cette énergie sera perdue sous forme de chaleur, d’où l’intérêt des systèmes de refroidissement.

Le tube à rayon X est formé par une cathode et une anode. La cathode fournie les électrons qui seront converties en photon. L’anode agit comme une cible pour les électrons et émet les rayons X.

Les rayons X traversent les différentes couches de tissu et sont projetés sur un écran de détection qui, selon sa nature produira une image          . Ces rayons seront atténués en fonction de l’épaisseur de l’objet et de son numéro atomique.

Dans le corps humain, les rayons génèrent habituellement 4 types d’ombre : air, graisse, eau (sang et tissu mou), os. L’os, étant composé d’éléments dont le numéro atomique est élevé comme le calcium (Z=20), est considéré comme un corps radiodense. Il aura tendance à absorber les rayon X et apparaîtra alors blanc. Au contraire, l’air hypodense apparaitra en noir. Les organes du corps humain sont principalement composés d’eau (près de 80% H2O), leur densité sera similaire à celle des liquides du corps humain.

Radiodensité :

Lorsque la totalité des rayons X se rend à l’écran détecteur, une image plus noire est produite. Ceci est observé lorsqu’un film est trop exposé. À l’inverse, lorsque peu de rayon se rendent à l’écran de détection, une image plus blanche sera produite

La radiodensité varie d’une d’un tissu à l’autre selon deux facteurs :

Le numéro atomique:

En effet, plus le numéro atomique est élevé, plus la substance absorbe les rayons X et plus le tissu est radiodense. L’image apparaîtra alors plus blanche. C’est le cas des corps métaliques et des os dans le corps humain. Inversement, les substances hypodenses, tel que l’air, ont un numéro atomique bas, absorbent moins les rayons X et apparaitront alors plus noir.

En ordre croissant de de densité :

Noir----------------------------------------------------------blanc

Air, graisse, tissu mou et liquide, baryum, iode, os, métal

Épaisseur :

Plus l’objet est épais, plus les rayons X seront absorbés et plus l’image apparaîtra blanche

Références

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