Sommaire     Section : Dosimétrie et radioprotection en scanner X.

IMPLICATIONS TECHNIQUES ET DOSIMÉTRIQUES DES NOUVELLES TECHNOLOGIES EN SCANNEUR HÉLICOÏDAL

I. INTRODUCTION

La technologie des scanners X a fortement évolué ces dernières années, entraînant des modifications des protocoles de réalisation des examens puis de leurs indications et de leurs conséquences dosimétriques. Nous nous sommes penchés sur ce dernier point, par des mesures expérimentales et une revue de la littérature.

A. Comment réduire le risque radique des examens TDM ?

Avant d'aborder la technologie, il convient de peser le bénéfice médical de l'examen et ses risques, notamment radiques, car le danger des faibles doses de rayons X n'est pas écarté. Le radiologiste doit participer à la sélection des techniques d'imagerie pour un problème clinique donné. Il doit donc disposer du dossier médical et des examens antérieurs et dialoguer avec le clinicien, qui émet une demande d'avis radiologique et non une "ordonnance" ou une "prescription" d'examen. Le radiologiste doit ensuite adapter son protocole d'exploration à la question posée, sans chercher à tout prix le "trop bel examen" et combattre l'idée reçue selon laquelle "la qualité de l'imagerie médicale se juge à l'esthétisme des images". Soulignons qu'avec la radiologie numérique, il n'y a plus de parallélisme entre la qualité photographique et la dose X administrée : l'image n'est plus trop noire si la dose X est excessive et le nombre des clichés fournis n'a plus de signification dosimétrique.

B. La mesure de la dose X d'un examen TDM est un problème complexe :

1. Les normes des constructeurs, établies selon les critères du CDRH (Center for Devices and Radiological Health du Federal Public Service, des États-Unis d'Amérique) sont insuffisantes pour tout préciser

Ainsi, la dose dans l'air ou en surface ne permet pas de calculer simplement la dose en profondeur ou à un organe donné. De plus, une procédure multicoupes augmente l'irradiation dans un plan de coupe P donné d'un facteur variable, selon la profondeur du point considéré, la nature des tissus ou la position du plan P dans l'ensemble du volume irradié (entre 1,3 à 1,8 en surface, et 3 à 5 en profondeur).

2. Le SSP (Sensitivity Section Profile ou Profil de sensibilité)

Le profil de sensibilité de coupe (profil de distribution des photons X contribuant au signal au niveau de l'isocentre du volume irradié) traduit imparfaitement le profil de dose X (photons X contribuant à la dose reçue) . L'épaisseur de coupe est définie par la largeur à mi-hauteur du pic (FWHM: Full Width at Half Maximum). Cette valeur ne rend pas compte de l'importance de la zone de pénombre latérale (photons X distribués en dehors de la coupe, donc ne participant pas au signal mais augmentant la dose reçue par les coupes adjacentes) (figure 1)

Fig 1: Profil de dose CT NB

3. Le CTDI

L'index de dose X scanner (CTDI, Computed Tomography Dose Index) est une mesure normalisée de la dose X, effectuée sur un fantôme de plexiglas, au centre d'un bloc de 14 coupes jointives non chevauchées. En fait, ce nombre de 14 coupes, convenable pour des coupes centimétriques est insuffisant pour les coupes millimétriques car l'importance relative de la zone de pénombre reste importante au delà des ± 7 coupes adjacentes, du fait de la plus grande taille relative du foyer X par rapport à la collimation (figure 2)

Fig 2: Courbes CTDI

4. La MSAD

La MSAD (Multiple Scan Average Dose) donne une idée plus précise de la dose réelle administrée car elle intègre le profil de dose des différentes coupes successives, quel que soit leur nombre et leur espacement (Figures 3 a et b)

Fig 3a: MSAD

Fig 3b: MSAD 15c 13/10 mm

II. PARAMETRES INFLUENÇANT LA DOSE EN TDM ET NOUVEAUTES TECHNOLOGIQUES VISANT A DIMINUER LA DOSE X DELIVREE

A. Facteurs liés à l'appareil

1. De nombreux facteurs, tels la génération du scanner, la qualité du faisceau X, les détecteurs (solides ou gazeux) qui entrent dans la conception d'ensemble de l'appareil peuvent influer sur la dose délivrée lors d'un examen TDM (Figure 4)

Depuis peu, les fabriquants de scanner élaborent des techniques visant principalement à diminuer la dose X administrée : filtrage du faisceau en sortie de tube, procédé SmartScan® (General Electric®) : diminution de l'intensité du faisceau X lorsque le tube "voit" le patient de face, et réaugmentation lorsque le tube "voit" le patient de profil, si l'épaisseur de patient à traverser est plus importante que de face.

Fig 4: Techno TDM NB

2. Les réglages et étalonnages, l'usure de l'appareil sont à l'origine d'une variabilité également importante entre des modèles identiques en théorie.

Par exemple, une étude de Conway et Coll. a montré une MSAD variant de 34 à 52 mGy avec une valeur maximale de 140 mGy pour le même type d'appareil .

B. Facteurs modifiables par l'opérateur

1. Tension du tube X (voltage, kV)

Pour une même émission d'électrons par la cathode (mAs), le rendement d'émission des photons X augmente avec la différence de potentiel (kV) qui conditionne par ailleurs l'énergie du faisceau. Cette énergie du faisceau doit assurer une transmission adéquate, suffisante pour former une image (il faut des photons X en sortie de patient) mais non excessive (les photons X ne doivent pas tous traverser le patient sans atténuation). Si on augmente les kV, la dose X augmente, ainsi que le rapport des doses profondeur/surface.

La forme du spectre des énergies des photons X et la valeur du pic dépendent de l'état du tube (conception et usure), du voltage choisi par l'opérateur sur la console, du filtrage interne du tube et en sortie de tube, enfin, en un point du patient, du rayonnement primaire filtré par les tissus sus jacents et du rayonnement secondaire diffusé. La mesure sur fantôme anthropomorphique permet seule d'intégrer tous ces paramètres.

Ainsi, si on attribue la valeur de 1 à la dose délivrée pour une tension de 120 kV, la dose à 90 kV est égale à 0,5 environ et la dose à 140 kV est égale à 1,4 environ (données personnelles).
Les tensions habituellement utilisées sont de l'ordre de 120 kV pour le crâne et de 120 kV à 140 kV pour le tronc.

2. Intensité du courant

Dans les limites de fonctionnement du tube X, la dose croît proportionnellement avec l'intensité du courant (mA) ainsi que la qualité de l'image et l'échauffement du tube. Les appareils modernes ont un tube à capacité calorique très améliorée, permettant d'augmenter les mAs, et donc l'irradiation, sans être limité par l'échauffement du tube (donc prudence !)

3. Durée d'exposition aux rayons X

Pour un cycle complet de rotation (360°), la dose croît proportionnellement à la durée d'irradiation. Pour une rotation partielle (<360°), le calcul de dose est plus complexe. Il faut savoir où se trouve le secteur sous irradiation directe qui peut varier d'une coupe à l'autre (rotation alternative ou continue)

La durée d'exposition aux X peut être nettement inférieure à la durée d'un cycle de rotation dans le cas d'un tube X à émission pulsée. Au contraire, le fluoro-scan qui réalise 6 images/s risque d'augmenter nettement les durées d'exposition de la radiologie interventionnelle sous TDM.

Ainsi, un cycle de 360° réalisé en 2 secondes irradie 2 fois plus qu'un cycle réalisé en 1 seconde pour un même réglage des mAs.

4. Angle d'acquisition

L'algorithme mathématique de reconstruction se satisfait d'une série de projections sur 180°. D'autres considérations (flou cinétique, divergence du faisceau X...) incitent à exploiter des données acquises sur un angle supérieur, souvent 360°, voire un plus (figure 5).

Fig 5: Overscan

La dose distribuée en un point de la coupe dépend de la position du tube pour l'irradiation directe. La connaissance de la position du secteur angulaire (angle <360°) ou de sur-irradiation (angle > 360°) devrait permettre des adaptations positionnelles pour limiter l'irradiation directe de certains organes : yeux, thyroïde, testicules… En outre, la motivation de radioprotection devrait présider dès la conception des appareils lors du choix de la position de ces angles d'irradiation, en fonction des utilisations cliniques. Certains modèles permettent ainsi d'explorer l'encéphale sans irradier directement les yeux, ce qui divise presque par deux la dose aux cristallins (figure 6).

Fig 6: Cycle partiel OPHT

Les comparaisons entre machines et les calculs dosimétriques ne sont pas facilités par ces différences d'un modèle à un autre.

5. Filtrage du faisceau et choix du champ d'exploration

Un filtre plus ou moins élaboré est disposé en sortie de tube X, plus épais sur les bords qu'au centre, pour compenser la diminution latérale d'épaisseur du patient. Ce filtrage diminue la dose globale et augmente le rapport des doses profondeur/surface. Il est ensuite logique de choisir un champ d'exploration limité à la taille du patient étudié ; la collimation latérale du faisceau évite un rayonnement diffusé inutile et néfaste à la fois en terme de dosimétrie et de qualité d'image. Il est également important de bien placer le patient et de choisir un champ d'exploration adapté, car le filtre de certains appareils varie avec la taille de champ choisie.

6. Épaisseur des coupes, collimation et barrettes multiples de détecteurs

a) Épaisseur des coupes

Selon les CTDI, pour un même volume total exploré, les coupes fines irradieraient moins que les coupes épaisses. Ainsi, pour un volume donné constant, si on attribue la valeur 1 au CTDI pour des coupes jointives de 10 mm, le CTDI a comme valeur 0,5 à 0,7 pour des coupes jointives de 05 mm et 0,2 à 0,5 pour des coupes jointives de 01 mm (données personnelles).

En réalité, c'est l'inverse, la pénombre étant relativement plus importante pour les coupes millimétriques, et insuffisamment mesurée sur 14 coupes. Ainsi, si la dose est de 1 pour des coupes jointives de 10 mm, elle est de 1,3 pour des coupes jointives de 05 mm et 1,7 pour des coupes jointives de 01 mm (données personnelles).

b) Collimation

La collimation détermine l'épaisseur des coupes et limite l'irradiation inutile en amont et en aval de la coupe.

c) Barrettes multiples de détecteurs

La double barrette de détecteurs (Elscint CT-Twin®) permet d'acquérir simultanément deux coupes jointives (coupes "duales") en collimatant au double de l'épaisseur de coupe (figure 7). On évite un côté de la pénombre, ce qui devrait réduire la dose de 10 à 25%, selon l'épaisseur de coupe, par rapport aux monocoupes équivalentes. On peut aussi fusionner les données des deux barrettes pour créer une coupe "fusionnée" (fused) d'épaisseur égale à la collimation, et de qualité améliorée par rapport à une monocoupe d'égale épaisseur. La dose X devrait être identique. Cette fusion de coupes successives est aussi adoptée sur des appareils avec une seule barrette de détecteurs pour améliorer le rapport signal/bruit des coupes de zones délicates (fosse postérieure du crâne par exemple), mais évidemment sans l'économie de pénombre liée à la double barrette.

Fig 7: Modes Acquisition NB

7. Position, orientation du patient, inclinaison du plan de coupe

Comme cela a été illustré à propos de l'angle de rotation et signalé pour les champs d'exploration, le positionnement du patient peut permettre de réduire la dose délivrée à certains organes plus sensibles (décubitus dorsal ou ventral, latéral droit ou gauche...). Il serait néanmoins plus logique d'adapter les appareils dès leur conception. En revanche, il est logique d'incliner le plan de coupe pour éviter d'irradier directement un organe sensible.

Ainsi, la dose délivrée aux cristallins lors d'un scanner cérébral est 43,4 mGy en irradiation directe (lorsque le plan de coupe passe par les orbites) et 5,6 mGy en diffusé seul (lorsque le plan de coupe évite les orbites) . De même, nous avons mis en évidence une réduction supérieure à 50 % de la dose délivrée aux ovaires en remplaçant l'acquisition séquentielle avec inclinaison des plans de coupes pour enfiler les disques intersomatiques par une acquisition hélicoïdale axiale stricte, épargnant une irradiation directe des ovaires. L'acquisition hélicoïdale permet cependant une reconstruction secondaire d'excellente qualité des plans discaux.

8. Nombre des coupes

Augmenter le nombre de coupes jointives augmente directement le volume irradié et majore la dose unitaire de chaque point dans le volume de recouvrement des profils de dose.
Pour des cycles de 360°, l'effet de cumul est plus important au centre (où le diffusé est maximal) qu'en surface. Pour des acquisitions sur 180°, le cumul de dose est plus marqué à l'opposé de la zone directement irradiée.

Doubler le nombre de passages sur une région double évidemment l'irradiation locale .
Ceci doit être pris en considération, par exemple lors d'une double acquisition sans puis avec injection du produit de contraste, d'autant que certaines équipes proposent des explorations hépatiques avec un quadruple passage hélicoïdal : sans injection, au temps artériel du bolus iodé, au temps portal et au temps parenchymateux tardif .

9. Espacement des coupes et pas (ou pitch) des acquisitions hélicoïdales

- En mode séquentiel, espacer les coupes réduit directement la dose mais laisse des espaces inexplorés (voir figure 7) Ainsi, si la dose délivrée aux ovaires lors d'un scanner pelvien utilisant des coupes de 5 mm tous les 10 mm est de 1, elle atteint 1,7 à 1,9 lorsque les coupes sont jointives (5 mm tous les 5 mm) .

- En mode hélicoïdal, il n'y a pas d'espace inexploré. Les images ont une qualité moindre, souvent suffisante. La réduction de dose moyenne est théoriquement proportionnelle à l'augmentation de la vitesse de déplacement du lit d'examen, c'est à dire au pas de l'hélice (figure 8) . La réduction de dose d'un point précis dépend toutefois de sa localisation 3D.

Fig 8: Hélice et Pitch

III. CONCLUSIONS

1. L'approche dosimétrique instrumentale pure est largement insuffisante pour rendre compte des doses délivrées lors de la pratique clinique quotidienne.

2. L'avantage dosimétrique majeur de l'hélice est de pouvoir -a posteriori- recalculer autant de coupes ou d'images volumiques qu'on le désire, en tout point du bloc exploré, chevauchées ou non, sans nouvelle irradiation. La double barrette de détecteurs rend cette utilisation encore plus souple, permettant au besoin de calculer des coupes à moitié plus fines que celles pratiquées en routine.

3. Il est possible grâce à des adaptations techniques de diminuer l'irradiation due aux examens TDM. Il est certainement bien plus efficace, à l'échelle d'un patient comme à l'échelle de la population, d'être rigoureux sur les indications.

°Radiologie A Service du Pr André BONNIN CHU COCHIN, AP-HP, Université Paris V - René DESCARTES,
*Service du Pr Jean CHAVAUDRA, Institut Gustave ROUSSY, Villejuif

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