Histoire

 

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Histoire de l'imagerie médical

 

L'importance que revêt l'imagerie médicale tient d'abord au fait qu'une image est un concentré d'information bien plus efficace qu'un texte ou qu'une explication verbale. On s'en convaincra en évoquant, par exemple, la médecine préhistorique. Dans certains domaines, elle avait atteint un degré d'expertise élevé puisqu'on connaît de nombreux cas de trépanations réussies (certains chercheurs avancent le taux de 60 %!).
Des interventions aussi complexes impliquaient, chez les chirurgiens d'alors, des connaissances étendues en matière d'anatomie, physiologie, pathologie, etc. Or on n'a pas relevé, dans l'art préhistorique, de représentations suggérant une pédagogie par l'image de la chirurgie en question. Toute transmission de savoir devait être verbale. Il est facile d'imaginer le temps requis et l'économie qui aurait pu en être faite même avec une iconographie très simple.

Concept

 

L'image obtenue peut être traitée informatiquement pour obtenir par exemple :
•une reconstruction tridimensionnelle (ou quadridimensionnelle pour un organe mobile) ;
•une imagerie dite paramétrique en recalant plusieurs données au sein d'un même document (contour du cœur et mobilité des parois par exemple).

 

Les différentes techniques d'imagerie médicale

 

Certaines imageries sont qualifiées de fonctionnelles car elles permettent de visualiser le métabolisme de l'organe étudié, dans les autres cas ont parle d'imagerie anatomique. C'est le cas par exemple de la scintigraphie, ou de la TEP. Il existe une norme pour la gestion informatique de l'imagerie médicale : la norme DICOM.
La médecine utilise de nombreux procédés d'imagerie pour le diagnostic et le suivi peuvent être basées sur :

 

Les champs magnétiques

•La magnétoencéphalographie (MEG) est une technique de mesure des champs magnétiques induits par l'activité électrique des neurones du cerveau.
•Imagerie par résonance magnétique (IRM), utilisant l'effet d'un champ magnétique sur le spin des protons. L'image obtenue est une coupe suivant n'importe quel axe.

 

La radioactivité

•TEP, ou Tomographie par Émission de Positrons. Elle utilise du sucre (le plus souvent) marqué par un corps radioactif, et permet alors de voir les cellules qui consomment beaucoup de sucre (ex : cellules cancéreuses, infection...).
•Scintigraphie utilisant l'émission de rayons gamma d'une source radioactive injectée dans l'organisme. L'image obtenue est le plus souvent une projection mais on peut obtenir une coupe.

 

Les rayons X

 

•Scanner DEXA mesurant la densité osseuse (ou ostéodensitométrie)
•Radiographie, utilisant des rayons X et parfois l'injection de produit de contraste. Les images obtenues sont des projections des organes suivant un plan, sauf en cas de tomographie où l'image est une coupe suivant un plan le plus souvent transversal.
•Scanner utilisant les rayons X. L'image obtenue est une coupe, le plus souvent transversale.

 

Le son

 

•Échographie, utilisant des ultrasons. L'image obtenue est une coupe de l'organe étudiée. Il peut être couplé par un examen doppler analysant la vitesse du sang dans les vaisseaux ou dans les cavités cardiaques

 

L'ECHOGRAPHIE

 

 

Terminologie

 

Le mot échographie provient de deux racines grecques, écho (un écho) et graphie (un dessin). Il se définit donc comme étant « un dessin par l'écho ».
Le terme échographie désigne aussi bien l'acte médical que l'image qui en découle. Il est abrégé de manière courante en écho (au féminin : "il a eu une écho").
L'appareil permettant l'échographie est un échographe.
Le médecin qui pratique une échographie est un échographiste.
À noter que les appareils modernes comportent tous une fonction Doppler. C'est pourquoi on parle d' échographie-doppler (abrégée en écho-doppler ou écho-dop).

 

Le matériel

 

L'échographe est constitué :

•d'une sonde, permettant l'émission et la réception d'ultrasons ;
•d'un système informatique, transformant le délai entre la réception et l'émission de l'ultrason en image ;
•d'une console de commande, permettant l'introduction des données du patient et les différents réglages ;
•d'un système de visualisation : écran plat ou cathodique ;
•d'un système d'enregistrement des données, soit de manière analogique (cassette vidéo, impression papier), soit de manière numérique (format DICOM) ;

Le tout est disposé sur un chariot mobile, permettant d'effectuer l'examen au lit même du patient.
Les besoins sont différents suivant l'organe étudié. Le plus exigeant est le cœur, mobile par essence, qui exige une bonne définition de l'image spatiale mais aussi temporelle.

 

La sonde

 

Les premières études sur les ultrasons n'étaient pas appliquées à la médecine, mais visaient à permettre la détection des sous-marins à l'occasion de la Première Guerre mondiale. En 1951, deux britanniques, JJ. Wild (médecin) et J. Reid (électronicien), présentèrent à la communauté médicale un nouvel appareil : l'échographe. Il était destiné à la recherche des tumeurs cérébrales mais fera carrière dans l'obstétrique. L'usage en obstétrique date du début des années soixante dix avec les appareils permettant de capter les bruits du cœur fœtal (voir Effet Doppler).
L'élément de base de l'échographie est une céramique piézoélectrique(PZT), situé dans la sonde, qui, soumis à des impulsions électriques, vibre générant des ultrasons. Les échos sont captés par cette même céramique, qui joue alors le rôle de récepteur : on parle alors de transducteur ultrasonore. Un échographe est muni d'une sonde échographique, nommée barrette échographique, pourvue de 64, 96 voire 128 transducteurs ultrasonores en ligne. L'émission se fait de manière successive sur chaque transducteur.
Les ultrasons sont envoyés dans un périmètre délimité (souvent trapézoïdal), et les échos enregistrés sont des signatures des obstacles qu'ils ont rencontrés. L'échogénicité est la plus ou moins grande aptitude d'un tissu à rétro diffuser les ultrasons. La fréquence des ultrasons peut être modulée : une augmentation de cette dernière permet d'avoir un signal plus précis (et donc une image plus fine) mais l'ultrason est alors rapidement amorti dans l'organisme examiné et ne permet plus d'examiner les structures profondes. En pratique l'échographiste a, à sa disposition, plusieurs sondes avec des fréquences différentes :

 

•2,5 à 3,5 Mhz en usage courant, avec une définition de l'ordre de quelques millimètres ;
•5 Mhz pour les structures proches de la peau (cœur d'enfant par exemple), avec une résolution inférieure au millimètre ;
•7 Mhz pour l'exploration des petites structures assez proches de la peau (artères ou veines) avec une résolution proche du dixième de millimètre ;
•10 Mhz et plus par exemple pour l'étude, en recherche, du petit animal.

 

On note que cette résolution dépend aussi de la forme de la structure examinée : elle est bien meilleure si elle est perpendiculaire au faisceau d'ultrasons que si elle est parallèle à ce dernier.

La fréquence de réception joue également sur la qualité de l'image : en mode fondamental le transducteur détecte les signaux de la même fréquence que celle de l'émission.

En mode harmonique, il détecte les signaux d'une fréquence double (seconde harmonique) de celle de l'émission.
L'avantage de ce dernier système est qu'il ne détecte essentiellement que les échos revenant dans le même sens que l'émission, écartant de fait les échos diffusés et rendant le signal beaucoup moins bruité.

 

Le traitement du signal

 

L'électronique de l'échographe se charge d'amplifier et de traiter ces signaux afin de les convertir en signal vidéo.
L'image de fait en niveaux de gris selon l'intensité de l'écho en retour.

 

Comment apparaissent les différents tissus de l'organisme ?

 

•Les liquides simples, dans lesquels il n'y a pas de particules en suspension, se contentent de laisser traverser les sons.
Ils ne se signalent donc pas par des échos. Ils seront noirs sur l'écran (Structures hypoéchogènes)
•Les liquides avec particules, le sang, le mucus, contiennent de petits échos. Ils apparaîtront donc dans les tons de gris, plus ou moins homogènes.
•Les structures solides, l'os par exemple, renvoient beaucoup les échos. On verra donc une forme blanche avec une ombre derrière.
Une exception cependant, la voûte crânienne, très fine et perpendiculaire aux échos, elle en laisse passer.
•Les tissus mous sont plus ou moins échogènes : le placenta est plus blanc que l'utérus, qui est plus blanc que les ovaires.
•Le gaz et l'air, sont comme l'os, très blanc.
Les différents réglages
•La puissance d'émission est réglable mais ne joue que peu dans la qualité de l'image. Il faut théoriquement utiliser la puissance minimale acceptable afin d'éviter un échauffement des tissus examinés. En pratique courante ce risque est négligeable.
•La fréquence d'émission peut être modifiée dans les limites des spécifications de la sonde.
•Le gain à la réception peut être augmenté ou diminué globalement ou de manière variable, suivant la profondeur de la zone explorée (TGC pour time gain compensation).
•Différents filtres peuvent être réglés : compression…
•L'imagerie peut être basculée de mode fondamental en mode de seconde harmonique (abrégé en mode harmonique) permettant d'avoir une meilleure définition.
•Le faisceau d'ultrasons peut être focalisé (lentille acoustique par retard d'émission réglé électroniquement) à une plus ou moins grande profondeur (ne joue que peu sur la qualité de l'image).
•La zone d'intérêt de l'organe explorée peut être élargie, ou au contraire, rétrécie.
Dans ce dernier cas, l'image a une meilleure définition.
•La cadence d'acquisition (en anglais frame rate) peut être réglée.

Ce paramètre est peu important en cas d'organes fixes mais doit être sensiblement augmentée pour étudier la mobilité d'une structure (cœur).
La console de commande est munie d'un clavier permettant d'entrer les identifiants du patient et les commentaires.
Elle permet d'accéder aux différents modes d'échographie et de doppler, ainsi qu'au traitement et au stockage des images.
Elle permet également d'effectuer des mesures (distance, surface…) et différents calculs.
Visualisation des images
Elle se fait par l'intermédiaire d'un écran.

 

Différents modes sont disponibles :

 

•Le plus courant est le mode BD (pour bidimensionnel) : il s'agit d'une représentation en coupe de l'organe étudié, le plan de celui-ci étant déterminé par la position que donne l'examinateur à la sonde.
•Le mode Tm (pour time motion en anglais) représente l'évolution d'une ligne de tir (abscisse) suivant le temps (ordonnée).
Ce mode permet d'évaluer précisément les structures mobiles (ventricule gauche pour le cœur, par exemple) et d'en évaluer la taille.
Cette dernière dépend cependant étroitement du choix de la ligne de tir et reste donc très examinateur-dépendant.
A ces images en niveau de gris, peuvent être associées des données du doppler en couleur.

 

Stockage et distribution des images

 

Théoriquement, les données à stocker correspondent au film de la durée de l'examen (de quelques minutes à plus d'une demi-heure) ce qui pose encore problèmes quant à l'importance de la mémoire nécessaire.
En pratique ne sont conservées que des images fixes ou de courtes boucles d'images.
Le format est souvent propriétaire (avec un outil de conversion DICOM) ou fait de manière native en DICOM. Ce format, largement utilisé dans le domaine de l'imagerie médicale, permet de conserver dans un même document l'identifiant du patient, l'image et les caractéristiques de l'acquisition de cette dernière.
De manière simple, l'image sélectionnée est imprimée et jointe au compte rendu. Elle n'a dans ce cas qu'un rôle d'illustration, la qualité de la reproduction ne permettant en aucun cas de réévaluer, par exemple, un diagnostic.
L'image peut être également stockée de manière analogique sur une cassette vidéo, entraînant une dégradation sensible de la définition, mais permettant de conserver suffisamment d'informations pour pouvoir en tirer des renseignements a posteriori.
Le manière récente, l'existence de d'enregistreur de DVD en temps réel (en même temps ) que la réalisation de l'examen permet de numériser plusieurs heures d'examens.
Les images (ou boucles d'images) peuvent être transmises de manière numérique, soit par Cdrom, soit par réseau informatique.

 

Le traitement informatisé de l'image

 

•Par interpolation d'une boucle d'images, prise avec une cadence d'acquisition rapide, on peut simuler une ligne Tm courbe.
•La reconnaissance automatisée des contours reste la pierre d'achoppement de l'échographie en 2005.
•L'imagerie paramétrique consiste à coder chaque pixel suivant des paramètres calculés sur l'image (évolution dans le temps, déphasage…). C'est un sujet encore en phase de recherche.

•L'imagerie tridimensionnelle, jusqu'au début de ce millénaire, était faite par superposition et interpolation de plusieurs images successives, faites suivant différents plans de coupe (soit de manière libre, soit à l'aide d'une sonde rotative). Le procédé est relativement aisé pour les organes fixes mais beaucoup plus complexes pour les organes mobiles (superposition de boucles d'images et non plus d'images simples). Actuellement, certains échographes sont munis de sondes dotées de capteurs-émetteurs, non plus disposées en ligne mais sous forme de matrice rectangulaire, permettant une acquisition tridimensionnelle directe. Les contraintes techniques et informatiques font cependant que l'image standard est alors sensiblement de moins bonne définition, tant spatiale que temporelle, et que le volume de l'organe directement visualisable reste réduit en taille.

 

Les différents types d'appareils

 

•Les appareils standards, bien que disposés sur des chariots à roulettes, sont destinés plutôt à être utilisés en poste fixe.
Ils peuvent être connectés à un réseau, à une imprimante externe. Leur coût s'échelonne entre 50 000 et plus de 150 000 €.
•Des appareils plus petits sont conçus pour être utilisé au lit du patient.
L'écran plat est de moindre qualité et ils ne disposent pas toujours de toutes les fonctionnalités. Ils fonctionnent sur secteur. Leur prix est inférieur à 100 000 €.
•Des échographes de la taille et du poids d'un PC portable ont été développés.
L'imagerie est alors de bien moindre qualité et seules les fonctions de base sont disponibles.
Ils ont le grand avantage d'être autonome pour leur alimentation. L'intérêt est surtout celui d'un "débrouillage" sur le terrain permettant de sélectionner les patients nécessitant des examens plus approfondis.

 

Avantages et inconvénients de l'échographie

 

 

•Avantages :

L'utilisation des ultrasons est quasiment sans danger : c'est la seule technique permettant d'avoir une image du fœtus avec une bonne innocuité. Il n' y a pas d'allergie ni de contre-indication à cet examen.
Elle est indolore pour le patient. Elle ne nécessite, sauf exceptions, ni hospitalisation, ni anesthésie.
Elle peut être répétée sans problème.
L'échographie est une technique d'imagerie médicale relativement peu coûteuse : elle ne nécessite qu'un appareil et le prix des consommables peut être négligeable.
L'examen est réalisé avec une seule personne (médecin ou manipulateur).
L'échographe est mobile, permettant de réaliser l'examen au lit même d'un patient, dans une unité de réanimation par exemple.
S'il est effectué par un médecin, le résultat est immédiat.

 

•Inconvénients :

L'image manque parfois de netteté, jusqu'à être parfois inexploitable : c'est le problème de l' échogénéicité, faible en particulier en cas d'obésité. L'examen, et donc ses résultats, reste "examinateur-dépendant".
Les mesures et la qualité des images dépendent beaucoup de la position de la sonde (plan de coupe), et donc, de l'habilité et de la compétence de l'examinateur.
Ce positionnement manuel de la sonde varie d'un examen à l'autre et n'est pas connu a posteriori, ce qui rend complexe toute ré interprétation de l'examen et tout recalage avec une autre modalité d'imagerie médicale. Autrement dit, en cas de doute ou de discussion, l'examen doit être refait en totalité, idéalement par un autre examinateur.
Le principal bruit qui vient perturber les images ultrasonores est le "speckle" ou granularité (car l'image donne l'impression d'être formée de grains).
Ce bruit est dû au fait que l'imagerie ultrasonore est une technique d'imagerie cohérente, ce qui autorise les interférences entre les ondes et donc cet aspect granuleux de l'image.

Réalisation d'un examen échographique standard

Suivant l'organe examiné, le patient doit être à jeun ou non. Il est allongé sur une table d'examen et la sonde, recouverte d'un gel, est posée directement sur la peau en regard de la structure à visualiser.
Techniques particulières de l'échographie
Échographie gynécologique et obstétricale
Dans le cadre de la surveillance médicale de la grossesse, une échographie permet d'obtenir une image monochrome d'un fœtus à l'intérieur du ventre de sa mère. Bien que ce soit l'utilisation la plus connue de l'échographie, on utilise également cette technologie pour la détection des troubles d'organes internes (calculs, kystes, cancers).

Au Québec, depuis 2004, certaines cliniques de procréation et de suivi de grossesse offrent un service d'échographie en 3 dimensions qui permet une vision plus globale du fœtus.

Echographie per-opératoire

La sonde peut être posée sur la peau ou directement en contact de l'organe. Dans ce dernier cas, la sonde est recouverte d'une enveloppe stérile.

Echographie vasculaire

L'examen est toujours couplé au doppler permettant d'analyser les flux sanguins.
Il existe des sondes fines pouvant être introduites directement dans le vaisseau à examiner (artère coronaire par exemple) et permettant l'analyse précise des parois de celui-ci. On parle alors d' échographie endo vasculaire.
Echographie cardiaque (ou échocardiographie)

L'examen du cœur comporte des difficultés car il est :

•mobile ;
•inséré dans la cage thoracique, au contact des poumons, ses deux structures (air et os) empêchant la transmission des ultrasons.

 

Ultrason

 

L'ultrason est un son dont la fréquence est supérieure à 20 000 Hz. Ils ont été découverts en 1883 par le physiologiste anglais Francis Galton.
Sa fréquence élevée en fait un son inaudible pour l'homme.
Mais beaucoup d'animaux comme par exemple les chiens ou les chauve-souris peuvent entendre ces sons.
La chauve-souris émet des ultrasons qui se répercutent sur les objets environnants et reviennent ensuite vers la chauve-souris qui parvient à former mentalement une image virtuelle de son environnement.

 

Applications

 

•Utilisation pour le sonar,
•Médicales,
•Industrielles,
•En télémétrie pour mesurer les distances.

 

RAYON X

 

Les rayons X sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence dont la longueur d'onde est comprise approximativement entre 5 picomètres et 10 nanomètres.
L'énergie de ces photons va de quelques eV (électron-volt), à plusieurs dizaines de MeV.
C'est un rayonnement ionisant utilisé dans de nombreuses applications dont l'imagerie médicale et la cristallographie.
Les rayons X ont été découverts en 1895 par le physicien allemand Wilhelm Röntgen, qui a reçu pour cela le premier prix Nobel de physique ; il les nomma ainsi car ils étaient d'une nature inconnue (la lettre x désigne l'inconnue en mathématiques).
La distinction entre les rayons X des rayons gamma (qui sont de même nature et d'énergie semblable) vient de leur mode de production : les rayons X sont des photons produits par les électrons des atomes alors que les rayons gamma sont produits par les noyaux des atomes

 

Découverte et histoire des rayons X

 

A la fin du XIXe siècle, Wilhelm Röntgen, comme de nombreux physiciens de l'époque, se passionne pour les rayons cathodiques qui ont été découverts par Hittorf en 1869 ; ces nouveaux rayons avaient été étudiés par Crookes (voir l'article Tube de Crookes).
A cette époque, tous les physiciens savent reproduire l'expérience de Crookes mais personne n'a eu d'idée d'application de ces rayonnements.
En 1895, Wilhelm Röntgen reproduit l'expérience à de nombreuses reprises en modifiant ses paramètres expérimentaux (types de cibles, tensions différentes, ...).
Le 8 novembre 1895, il parvient à rendre luminescent un écran de platinocyanure de baryum. C'est une intuition que l'on peut qualifier de « géniale » qui va mener Röntgen dans la direction de sa découverte : il décide de faire l'expérience dans l'obscurité en plongeant son tube de Crookes dans un caisson opaque. Le résultat est identique à la situation normale. Röntgen place ensuite différents objets de différentes densités entre l'anode et l'écran fluorescent, et en déduit que le rayonnement traverse la matière d'autant plus facilement que celui-ci est peu dense et peu épais. Plus troublant encore, lorsqu'il place des objets métalliques entre le tube et une plaque photographique, il parvient à visualiser l'ombre de l'objet sur le négatif.
Röntgen parvient à en déduire que les rayons sont produits dans la direction des électrons du tube et que ce rayonnement est invisible et très pénétrant.
Comme il ne trouve pas de dénomination adéquate pour ses rayons, Röntgen les baptise « Rayons X ».
Notons au passage que ce rayonnement est encore souvent appelé Röntgen Strahlen (litt. rayons de Röntgen) en Allemagne.

 

Une des premières radiographie prise par Wilhelm Röntgen

 

Le premier cliché est celui la main de Anna Bertha Röntgen (22 décembre 1895, pose de 20 min.) ; il s'agit de la première radiographie, la radiologie est née.
Un mois plus tard, Bergonié reproduit à Bordeaux l'expérience de Röntgen, avant que ce dernier publie officiellement.
Le 28 décembre 1895, Röntgen publie sa découverte dans un article intitulé « Über eine neue Art von Strahlen » (« À propos d'une nouvelle sorte de rayons ») dans le bulletin de la Société physico-chimique de Würzburg.
C'est cette découverte qui lui vaudra le premier prix Nobel de physique en 1901.

Il tire quatre conclusions dans son article :

 

•« Les rayons X sont absorbés par la matière ; leur absorption est en fonction de la masse atomique des atomes absorbants.
•Les rayons X sont diffusés par la matière ; c'est le rayonnement de fluorescence.
•Les rayons X impressionnent la plaque photographique.
•Les rayons X déchargent les corps chargés électriquement.»

 

La recherche de Röntgen est rapidement développée en dentisterie puisque deux semaines plus tard, le Dr Otto Walkhoof réalise à Braunschweig la première radiographie dentaire.

Il faut 25 minutes d'exposition. Il utilise une plaque photographique en verre, recouverte de papier noir et d'une digue (champ opératoire) en caoutchouc.
Six mois après, paraît le premier livre consacré à ce qui va devenir la radiologie dont les applications se multiplient - dans le cadre de la physique médicale, pour le diagnostic des maladies puis leur traitement (radiothérapie qui donne une expansion extraordinaire à ce qui était jusque-là l'électrothérapie).
Röntgen laissa son nom à l'unité de mesure utilisée en radiologie pour évaluer une exposition aux rayonnements.
Le symbole des röntgens est R.
La découverte de Röntgen fit rapidement le tour de la terre. En 1897, Antoine Béclère, pédiatre et clinicien réputé, créa, à ses frais, le premier Laboratoire hospitalier de radiologie.
Tout le monde voulait faire photographier son squelette.
Mais pendant longtemps, les doses étaient trop fortes. Par exemple, Henri Simon, photographe amateur, a laissé sa vie au service de la radiologie.
Chargé de prendre les radiographies, les symptômes dûs aux radiations ionisantes apparurent après seulement deux ans de pratique.
On lui amputa d'abord la main (qui était constamment en contact avec l'écran fluorescent) mais ensuite, un cancer généralisé se déclara.
Au début de la radiologie, les rayons X étaient utilisés à des fins multiples : dans les fêtes foraines où on exploitait le phénomène de fluorescence, dans les magasins où l'on étudiait l'adaptation d'une chaussure au pied des clients grâce au rayonnement et bien sûr, on les utilisait pour la radiographie médicale.
Encore là, on fit quelques erreurs, par exemple en radiographiant les femmes enceintes.
Avec les années, on diminua la durée des examens et les quantités administrées.
Cent ans après leur découverte, on se sert encore des rayons X en radiographie moderne. On les utilise aussi dans les scanners, pour effectuer des coupes du corps humain. Plusieurs autres techniques sont venues compléter les appareils des médecins : les ultrasons, l'imagerie par résonance magnétique nucléaire, la scintigraphie ou encore la tomographie par émission de positrons.
Mais on ne se sert pas des rayons X seulement en médecine ; les services de sécurité les utilisent pour examiner le contenu des valises ou des conteneurs aériens et maritimes sur écran.
Les policiers les exploitent afin d'analyser les fibres textiles et les peintures se trouvant sur le lieu d'un sinistre.
En minéralogie, on peut identifier divers cristaux à l'aide de la diffraction des rayons X.

 

Production des rayons X

 

Les rayons X sont un rayonnement électromagnétique comme les ondes radio, la lumière visible, ou les infra-rouge.
Cependant, ils peuvent être produits de deux manières très spécifiques :

•par des changements d'orbite d'électrons provenant des couches électroniques ; du fait de l'énergie importante de photons, les rayons X sont produits par des transitions électroniques faisant intervenir les couches internes, proches du noyau ; l'excitation donnant la transition peut être provoquée par des rayons X ou bien par un bombardement d'électrons, c'est notamment le principe de la spectrométrie de fluorescence X et de la microsonde de Castaing ;

•par accélération d'électrons (accélération au sens large : freinage, changement de trajectoire) ; on utilise deux systèmes :
ole freinage des électrons sur une cible dans un tube à rayons X : les électrons sont extraits d'une cathode de tungstène chauffée, accélérés par une tension électrique dans un tube sous vide, ce faisceau sert à bombarder une cible métallique (appelée anode ou anti-cathode) ; le ralentissement des électrons par les atomes de la cible provoque un rayonnement continu de freinage (ou Bremsstrahlung, terme allemand adopté internationalement) ;

 

la courbure de la trajectoire dans des accélérateurs de particule, c'est le rayonnement dit « synchrotron ».
Notez que dans le cas d'un tube à rayons X, on a à la fois un rayonnement continu (Bremsstrahlung) et un phénomène de fluorescence de la cible.
La photo utilisée dans l'encart ci-dessus pour illustrer à la fois sciences physique et quantique est un diffractomètre à rayons X.
Dans le cas ou que la radiation ionisante électromagnétique est dérivé d'une source naturelle, les photons ne sont pas considéré des rayon x, mais plutôt des rayons gamma.

 

Propriétés des rayons X

 

Historiquement, les rayons X étaient connus pour faire briller certains cristaux (fluorescence), ioniser les gas et impressionner les plaques photographiques.
Les principales propriétés des rayons X sont les suivantes :

•ils pénètrent facilement la « matière molle » (matière solide peu dense et constituée d'éléments légers comme le carbone, l'oxygène et l'azote) ; ils sont facilement absorbés par la « matière dure » (matière solide dense constituée d'éléments lourds) ;
c'est ce qui permet l'imagerie médicale (radiographie, scanner) : ils traversent la chair et sont arrêtés par les os ;

•ils sont facilement absorbés par l'air, par l'atmosphère;
de fait, les télescopes à rayons X (qui détectent les rayons X émis par les étoiles) doivent être placés dans des satellites, et les radiographies médicales, la source de rayons X doit être proche du patient ;

•l'ordre de grandeur de leur longueur d'onde étant celui des distances interatomiques dans les cristaux (métaux, roches...), ils peuvent diffracter sur ces cristaux ;
ceci permet de faire de l'analyse chimique, et plus précisément de l'analyse de phase par diffraction de rayons X (ou radiocristallographie) ;

•du fait de l'énergie importante des photons, ils provoquent des ionisations des atomes, ce sont des rayonnements dits « ionisants » ;
ceci donne naissance au phénomène de fluorescence X, qui permet une analyse chimique, mais cela modifie aussi les cellules vivantes (cf. infra).

 

Effets sur la santé

 

Les rayons X sont des radiations ionisantes. Une exposition prolongée aux rayons X peut provoquer des brûlures (radiomes) mais aussi des cancers. Ces effets ont été réellement pris en compte assez tard. C'est ainsi que dans un ouvrage de 1954, on ne lisait aucune recommandation de sécurité, mais par contre [1] :
« It was shown that X-rays produce an effect, though a small one, directly upon the retina, giving rise to a faint illumination of the whole field of view. »
« Il a été montré que les rayons X provoquent un effet, certes peu important, directement sur la rétine, provoquant une légère illumination dans tout le champ de vision.
ce qui semble indiquer que les auteurs ou leurs collaborateurs étaient soumis à cet effet occasionellement.
Les personnels travaillant avec des rayons X doivent suivre une formation spécifique, être protégés et suivis médicalement (ces mesures peuvent être peu contraignantes si l'appareil est bien « étanche » aux rayons X)

Détection des rayons X

Les rayons X sont invisibles à l'œil, mais ils impressionnent les pellicules photographiques. Si l'on place un film vierge protégé de la lumière (dans une chambre noire ou enveloppée dans un papier opaque), la figure révélée sur le film donne l'intensité des rayons X ayant frappés la pellicule à cet endroit. C'est ce qui permis à Röntgen de découvrir ces rayons. Ce procédé est utilisé en radiographie médicale ainsi que dans certains diffractomètres (clichés de Laue, chambres de Debye-Scherrer). Il est aussi utilisé dans les système de suivi des manipulateurs : ceux-ci doivent en permanence porter un badge, appelé « film dosimètre », enfermant une pellicule vierge ; ce badge est régulièrement changé et développé par les services de santé pour contrôler que le manipulateur n'a pas reçu de dose excessive de rayons X.
Comme tous les rayonnement ionisants, les rayons X sont détectés par les compteurs Geiger-Müller (ou compteur G-M). Si l'on diminue la tension de polarisation du compteur, on obtient un compteur dit « proportionnel » (encore appelé « compteur à gaz » ou « compteur à flux gazeux ») ; alors que le compteur G-M travaille à saturation, dans le compteur proportionnel, les impulsions électriques générées sont proportionnelles à l'énergie des photons X.
Les rayons X provoquent aussi de la fluorescence lumineuse sur certains matériaux, comme l'iodure de sodium NaI. Ce principe est utilisé avec les « compteurs à scintillation » (ou « scintillateurs ») : on place un photodétecteur après un cristal de NaI ; les intensités des impulsions électriques récoltées par le photomultiplicateur sont elles aussi proportionnelles aux énergies des photons.
De même qu'ils peuvent ioniser un gaz dans un compteur G-M ou proportionnel, les rayons X peuvent aussi ioniser les atomes d'un cristal semi-conducteur et donc generer des paires électron-trou de charges. Si l'on soumet un semi-conducteur à une haute tension de prépolarisation, l'arrivée d'un photon X va liberer une charge électrique proportionnelle à l'énergie du photon.
Ce principe est utilisé dans les détecteurs dits « solides », notamment pour l'analyse dispersive en énergie (EDX ou EDS). Pour avoir une résolution correcte, limitée par l' énergie de seuil nécessaire à la création de charges, les détecteurs solides doivent être refroidis, soit avec une platine Peltier, soit à l'azote liquide. Les semi-conducteurs utilisés sont en général du silicium dopé au lithium Si(Li), ou bien du germanium dopé au lithium Ge(Li).
Notons au passage que la faible température n'a pas d'effet direct sur la valeur de l' énergie de seuil, mais sur le bruit de fond. Il est possible en revanche d' utiliser des supraconducteurs maintenus à très basse température afin de faire usage d'énergie de seuil vraiment petite.
Par exemple l'énergie de seuil nécessaire à la création de charge « libres » dans le silicium est de l'ordre de 3 eV, alors que dans le tantale supraconducteur, disons au dessous de 1 degrés Kelvin, elle est de 1 meV, soit 1000 plus faible. La diminution de la valeur de seuil à pour effet d'augmenter le nombre de charges créées lors de la déposition d'énergie, ce qui permet d'atteindre une meilleure résolution.
Cette dernière est en effet limitée par les fluctuations statistiques du nombre de charge créées. L'amplitude de ces fluctuations peut s' estimer avec la Loi_de_Poisson. Des expériences récentes de détection d' un photon X à l'aide d' un calorimètre maintenu à très basse tempèrature ( 0.1 K) permettent d'obtenir une excellent résolution en energie.
Dans ce cas, l'énergie du photon absorbé permet de chauffer un absorbeur, la différence de température est mesurée à l'aide d'un thermomètre ultra sensible.
Afin de comparer les approches: le Si permet une précision de la mesure de l'ordre de 150 eV pour un photon de 6000 eV.
Un senseur au Ta permet d'approcher 20 eV, et un calorimètre maintenu à 0.1 K a récemment démontré une résolution d' environ 5 eV, soit un pouvoir de resolution de l' ordre de 0.1 %. Il est utile de mentionner que les méthodes de détection cryogéniques ne permettent pas encore de fabriquer des senseurs possédant un grand nombre d'éléments d'images (pixel), alors que les senseurs basés sur les semi-conducteurs offrent des « caméra » à rayons X avec plusieurs milliers d' éléments.
De plus, les taux de comptage obtenus par les senseurs cryogéniques sont limité, 1000 à 10'000 cps par pixel.