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NOUVEUX DETECTEURS ET IMAGERIE NUMERIQUE

Qualité d'image et dose, limites physiques

En radiologie, en supposant le détecteur idéal - 100% des photons incidents utilisés -, la qualité d'image est finalement limitée par le phénomène physique de fluctuation statistique des photons X. Ainsi, pour détecter un contraste d'un niveau donné, une dose minimale d'irradiation est requise. La  figure 1 illustre cette limite physique[1]. A titre d'exemple, il faut au minimum 250000 photons/mm² pour détecter un détail de 1 mm² et de contraste 1%, ce qui correspond, à 60 keV, à une dose détecteur de 10 µGy. Par ailleurs, le plus petit contraste perceptible à l'oeil est environ 2,5%. Ainsi, grâce à l'imagerie numérique et les possibilités de traitement - en particulier, fenêtrage - on permet la visualisation de contrastes plus faibles, si la dose image est suffisante pour les détecter.

Sensibilité et efficacité d'un détecteur

La sensibilité d'un détecteur rend compte de la plus petite dose mesurable, et ainsi de la capacité du système à réaliser des images à faible dose, et ceci indépendamment de la qualité qui y est associée.

A un niveau de dose requis pour la qualité d'image, pour limiter l'irradiation du patient, on demande à tout détecteur d'absorber et d'utiliser efficacement le maximum des photons incidents. Seule l'Efficacité de Détection Quantique (EDQ), définie comme suivant, rend compte de manière globale de ce rendement,

où RSBe est le rapport signal sur bruit photonique à l'entrée du détecteur
et RSBs est le rapport signal sur bruit dans l'image en sortie.

Ainsi, pour atteindre une même qualité d'image, un détecteur dont l'EDQ vaut 50% exige deux fois la dose demandée par le détecteur idéal.

L'EDQ dépend en premier lieu du pouvoir d'arrêt du milieu détecteur, des phénomènes de fluctuations secondaires (en particulier, dans le cas des scintillateurs) et des bruits (électroniques, de numérisation, de granularité,...) introduits par le système de détection. Elle varie fortement avec l'énergie du rayonnement, la dose incidente et la fréquence spatiale observée. Ses conditions de mesure étant en cours de normalisation, il faut rester prudent face aux résultats d'études comparatives. Nous ne donnerons que des ordres de grandeur aux énergies moyennes (typ. 50 keV) et à fréquence spatiale nulle.

Les techniques traditionnelles

Depuis les années 1970, l'association d'écrans luminescents - en particulier, d'écrans aux terres rares - au film argentique, rendant plus efficace le détecteur, a ainsi permis une économie substantielle de dose. Un couple écrans-film atteint couramment une EDQ de l'ordre de 20 à 30%, mais ceci dans la plage d'exposition très limitée dans laquelle travaille le film - au maximum 1 à 100 µGy. La faible sensibilité de ce système à effet de seuil ne permet pas ainsi de réaliser des images à faible dose.

L'Intensificateur d'Image Radiologique (IIR), communément appelé amplificateur de brillance, apparaît aujourd'hui comme un standard de la radiologie numérique conventionnelle. Sa très haute sensibilité (~ 1 nGy), associée à une imagerie temps réel, a permis d'accéder à une scopie à très faible dose, facilitant le développement de la radiologie interventionnelle. De plus, son EDQ très élevée - environ 60 à 70% - en fait un détecteur très performant pour l'imagerie numérique, malgré ses limitations bien connues (champ image, résolution spatiale, distorsions, encombrement, ...)[2].

Les nouveaux détecteurs

Lancés par FUJI et proposés aujourd'hui par plusieurs grands fabricants, les écrans radioluminescents à mémoire ouvrent le champ de la radiologie numérique et concurrencent la technique écrans-film. Utilisant un "phosphore" à mémoire stimulée et lue par balayage laser, l'efficacité de ce détecteur vis à vis de l'irradiation est controversée[8]. Son EDQ de l'ordre de 20 à 25% n'est vraisemblablement pas supérieure à celle du couple écrans-film (cf.  fig. 2). Cependant, le détecteur est plus sensible et présente une plage de linéarité bien supérieure à celle du couple écrans-film - de 100 nGy à 10 mGy - permettant des images à plus faible dose[3].

Commercialisé depuis peu par PHILIPS pour la radiographie thoracique, le détecteur au sélénium utilise le principe de la xérographie avec un système de lecture électronique. L'intérêt de ce détecteur est de convertir directement les photons X en charges électriques. N'étant pas limité en résolution spatiale par la diffusion lumineuse, ce principe permet l'utilisation de couches détectrices plus épaisses donc plus efficaces. L'EDQ annoncée à 60% serait proche de celle de l'IIR. Par ailleurs, sa plage de linéarité permet de réaliser des clichés dans une gamme d'exposition très large - de 20 nGy à 100 µGy - et en particulier à très faible dose[4][5].

Les projets d'imageurs plans matriciels, en cours de développement, ont pour objectif d'atteindre au moins les performances de l'IIR sans en avoir les inconvénients. Permettant radioscopie à faible dose (typ. quelques nGy) et radiographie par intégration, on souhaite qu'ils aient une EDQ supérieure ou égale à 60% dans une large plage d'exposition (> 103). Utilisant une matrice de lecture en silicium amorphe, deux solutions sont envisagées pour la couche détectrice : un scintillateur type CsI ou un semi-conducteur type Se par exemple[7].

Cas particuliers

Pour la mammographie, très exigeante en qualité d'image, le couple écran-film monocouche, standard actuel, conduit à un système dont l'EDQ ne dépasse pas 30% à 20 keV. Les nouveaux détecteurs numériques en émergence utilisent la combinaison écran luminescent + optique (fibres ou objectif) + CCD. Ces solutions, dont l'EDQ dépassera difficilement celle du couple écran-film, ne conduisent pas à des réductions sensibles de dose[6].

La radiographie dentaire est en pleine évolution. Le film dentaire à haute résolution a une très faible efficacité (< 5%). Les nouveaux capteurs numériques apparus récemment permettent une réduction sensible des doses (typ. un facteur 5) grâce à des détecteurs plus efficaces. Plusieurs solutions technologiques sont en compétition : CCD direct, écran à mémoire dédié, combinaison écran luminescent + fibre optique + CCD. En cours de développement au LETI, une solution utilisant un détecteur à base de CdTe permettra de gagner encore un facteur 2 sur la dose.

En conclusion:

Il ne faut pas attendre des nouvelles technologiesun gain substantiel en efficacité. Au mieux, les solutions les plus performantes s'approchent de l'IIR, c'est-à-dire, sont environ 2 fois plus efficaces que le couple écrans-film et permettent de réduire la dose d'autant à qualité d'image constante.

Par contre, les nouveaux détecteurs présentent généralement des plages de linéarité bien supérieures à celle du film limitant ainsi le nombre de clichés ratés par sur- ou sous-exposition, et une sensibilité bien meilleure qui permet la réalisation de clichés à faible dose, qui permet la réalisation de clichés à faible dose. Pour certaines indications, ces clichés à faible dose peuvent être de qualité largement suffisante pour le diagnostic. Cette possibilité offerte rend nécessaire une analyse avec les praticiens de la dose minimale pour le diagnostic. A l'inverse, les plages de linéarité étendues de ces nouveaux détecteurs permettent aussi de réaliser des clichés à plus forte dose pour une qualité pouvant être excessive.

Enfin, les possibilités de traitements associés à l'image numérique, améliorant la visualisation et la détection permettent d'exploiter mieux l'information présente à un niveau de dose donné, sous condition que l'échantillonnage produit par la numérisation ne soit pas limitatif.

Bibliographie

1. Harrison R.M., Digital radiography - a review of detector design, NIM A 310 (1991) : 24-34
2. de Groot P., Image Intensifier Design and Specifications, AAPM Summer School Proceedings, vol I (1991) : 477-510
3. Fujita H., Ueda K., Sai T., Basic imaging properties of a computed radiographic system with photostimulable phosphors, Med. Phys. 16(1) (1989) : 52-59
4. Neitzel U., Selenium : a new image detector for digital chest radiography Medica Mundi, vol 38, n°2(1993) : 89-93
5. Neitzel U. et al, Image quality of a digital chest radiography system based on a selenium detector, Med.Phys. 21 (4) (1994) : 509-516
6. Roehrig H. et al., Signal, Noise and Detective Quantum Efficiency in CCD based X-ray imaging systems for use in mammography, SPIE, vol. 216 3 (1994) : 320-332
7. Peyret O., Cuzin M., Radiographie numérique conventionnelle : le point sur la technologie des détecteurs, Rev. Im. Med. 4 (1992) : 665-671
8. Coulomb M. et al, La radiographie numérique du thorax chez l'adulte, Feuillets de Radiologie 34 n°2 - Masson (1994) : 91-114

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