Brevet FR2312030A1 — publié le 19761217

La présente invention concerne un precédé de mesure, au moyen de rayons X, de la densité de l'uni des constituants d'un corps en compertant a moins deux de nature différente. Elle concerne plus particulièrement un tel procédé, non destructif, faisant appel à la combinaison des propriétés d'absorption sélective des rayons X par les constituants placés dans des conditions déterminées. L'invention se rapporte également aux appareils mettant en oeuvre ce procédé. L'étude de l'absorption des rayons X par la matière montre que la relation reliant le nombre des photons incidents lo au nombrc de photons recueillis I,après la traversée du fuiscezw Xr par la atière concernée, ceci pour une longueur d'onde déterminée, est de la forme : # étant le coéfficient massique d'absorption , d étant la densité et x l'épaisseur de l'objet soumis au faisceau. Qttand ce dernier est formé par un seul constituant, la mesure de l'absorption permet de déterminer soit la densité, soit l'épais- seur traversé, selon que l'un ou l'autre de ces paramètres est constant. Mais, si l'objet est formé par deux constituants, le problème revient beaucoup plus compliqué, car il est difficile de déterminer la participation du premier constituant par rapport au second conduisant à l'atténuation totale observée.Or il est souvent nécessaire de pourrolr précisément connaître cette participation, de manière non destructive "in vivo" dans le cas d'une matière vivante, afin d'en déduire certaines caractéristiques importantes de l'un ou l'autre constituant, telle que 3s densité, par exemple. On peut citer1 à titre d'illustration, la mesure de la teneur en sel de calcium d'un tissu osseux (constituant i) enveloppé dans un tissu musculaire (constituant B). La présente invention a pour but d'apporter une solution à ce problème sans faire appel, comme dans les méthodes connues à des sources radioactives qui présentent un certain nombre d'inconvénients, mais à une source de rayons X dont la manipulation est plus souple et, dans l'état actuel de la technique, relativement moins dangereuse. l'invention concerne plus particulièrement un procédé de mesure, au moyen de rayons X, de la densité d'un premier constituant (A) d'un corps en comportant au moins un second (B) de nature différente du premier, d'épaisseurs respectives XA et XB, caractérisé en ce qu'il consiste à constituer, à partir dudit corps un écran de mesure,d'épaisseur totale constante ; à soumettre ledit écran de mesure à un premier et second faisceaux de rayons X de longueur d'onde respectivement égale à k1 et h, et à comparer la mesure de l'atténuation présentée par ledit écran de mesure auxdits faisceaux avec un réseau de courbes représentatives de l'atténuation présentée aux mêmes faisceaux par une succession d'écrans témoins, chacun de ces écrans 4 ayant une épaisseur totale, égale à celle dudit écran de mesure, chacun de ces écrans témoins comprenant un échantillon de même nature que ledit constituant A, présentant successivement une densité d1 , d2 , - -- - dn déterminée et, pour chacune de ces densités,une épaisseur croissante. L'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des figures jointes parmi lesquelles - la figure 1 représente un réseau de courbes d'étalonnage utilisé dans le procédé selon l'invention - les figures 2 et 3 sont deux représentations schématiques d'un premier et d'un second mode de réalisation d'un appareil mettant en oeuvre ledit procédé Le procédé conforme à l'invention, comprend un certain nombre d'étapes coopérant entre elles en vue de permettre la détermination d'une caractéristique telle que la densité et/ou l'épaisseur de l'un des constituants d'un corps sans que ce dernier subisse de dommages et ceci gracie à l'utilisation de rayons X. Par exemple, ce corps est formé par un premier et un second constituant A et B dont les épaisseurs sont inconnues et dont seule la densité de A ou de B et la somme des épaisseurs de A et de B sont connues. Il stagit respectivement d'une densité dA et dB , et d'une épaisseur 1A et 1B .Pour lever l'indétermination quant à la participation de A par rapport à B dont il a été question précédemment, le procédé conforme à l'invention propose de réaliser à partir du corps formé par les deux constituants A et B, un écran dit de mesure tel qu'il sera soumis aux faisceaux de rayons X, écran dont l'épaisseur est constante : ce résultat est obtenu en associant aux deux constituants, A et B, un matériau de même nature que le constituant A si ce dernier ne fait pas l'objet de la mesure ou du constituant B dans le cas contraire et dont l'épaisseur varie pour compenser, en tous points, les variations de | XA + x31 l'épaisseur de l'écran ainsi formé est référencée XE Selon une autre caractéristique de l'invention, la source de rayons X, utilisée pour la mesure, est choisie telle qu'elle puisse fournir deux bandes de longueur d'onde X1 et Dans ces conditions, les rapports des coefficients massiques d'absorption du constituant A et du constituant B sont suffisamment différents entre hl et X, pour rendre possible la détermination de la densité et/ou de l'épaisseur du constituant faisant l'objet de la mesure, comme cela sera explicité ci-dessous. Lorsque ces deux éléments sont réalisés à savoir, l'écran d'épaisseur constante et la source fournissant deux bandes de longueur d'onde k1 et k2 s une première étape du procédé conforme à l'invention consiste à établir un réseau de courbes à partir d'un écran témoin donnant l'évolution de l'atténuation créée par ledit écran en fonction d'une épaisseur croissante de constituants témoins, ceci pour différentes densités connues de ces constituants témoins. La densité réelle du constituant, objet de la mesure, peut être déterminée par comparaison de la valeur de l'atténuation présentée par l'écran de mesure et ce réseau de courbes. Ce dernier est représenté sur la figure 1. Les épaisseurs des constituants témoins sont portées en abscisse et l1atténua- tion correspondante est portée en ordonnée. Ce réseau de courbes est obtenu au moyen d'échantillons témoins d'épaisseur croissante, de même nature que le constituant A (objet de la mesure réelle) mais présentant des densités différentes dA1 s dA2 dan dA connues. L'atténuation présentée par chacun de ces écrans témoins est mesurée et portée en ordonnée et ceci pour chaque longueur d'onde #1 et #2 . Les ordonnées y1 et y2 correspon- dent à un écran témoin dans lequel l'épaisseur du constituant A est nulle ctest-à-dire constitué par le constituant B exclusivement. Ce réseau de courbes tel que représenté sur la figure 1 étant établi, l'étape suivante du procédé conforme à l'invention consiste à présenter l'écran de mesure aux rayons X de même longueur d'onde que pour les écrans témoins et à confronter les résultats ainsi obtenus Une application particulièrement intéressante du procécé conforme à l'invention est la détermination de la teneur en sel de calcium d'un tissu osseux (constituant A) contenu dans un tissu musculaire (constituant B > , appartenant à un organe tel qu'un bras par exemple. La densité du tissu osseux varie avec la teneur en calcium, donc la mesure de cette densité permet de connattre le tawr de calcification. Le tissu musculaire peut être assimilé, avec une bonne appro ximation à de l'eau ; c'est donc, dans l'exemple décrit, l'eau qui servira de matériau de compensation. La partie du bras faisant l'objet de l'examen est introduite dans une enveloppe de volume déterminé, remplie d'eau.Dans ces conditions, l'écran de mesure ainsi formé et interposé dans le faisceau de rayons x comprend, d'une part, un tissu osseux d'épaisseur xo, et de densité dos dont on désire déterminer la valeur, le coëfficient d'absorption étant os#1 pour une longueur d'onde (#1) et os#2 pour une lon- gueur d'onde (#2), et d'autre part cet écran de mesure comprend un un en.emb ] .e formé par le tissu musculaire et l'eau d'épaisseur 1eau /de densité connue deau; l'écran de mesure ainsi formé présente une épaisseur constante XE.Les valeurs de l'atténuation y3 et y4 respectivement obtenue pour les longueurs d'onde h, et vérifie la relation générale Log Io = os dos xos + eau deau (XE - x). I A ces deux ordonnées y3 et y4 correspond une seule abscisse X1 et une seule densité d1 . in effet, les deux droites relatlves à une meme densité sont reliées par une relation de la forme 3) k/uosxî + k'/ucsh2 = constante ce qui signifie qu'à une certaine densité d'os correspond un couple de droites et un seul. le procédé conforme à l'invention permet donc la détermination "in vivo" de la densité du tissu osseux considéré. l'invention concerne également un appareil de mise en oeuvre de l'invention. La figure 2 représente schématiquement une première réalisation d'un tel appareil. Un générateur haute tension 10 alimente un tube à rayons X, 11, qui peut être, par exemple, un tube à rayons X à fenêtre de beryllium capable de délivrer un spectre continu auquel se superposent les raies caractéristiques de l'anticathode. Conformément à l'invention, un jeu de filtres passe bande coopèrent avec le tube à rayons X pour sélectionner, pour chaque régime de fonctionnement, une bande relativement monochromatique pouvant comprendre la raie caractéristique la plus intense de l'anticathode du tube, en même temps qu'il réduit les rayonnements mous qui ne contribueraient pas à la mesure. Ces filtres passe-bande sont montés dans un bloc obturateur 12 servant à la protection contre le rayonnement et jouant le rôle de support mécanique des portes-filtre 13 et 14 destinés à recevoir respectivement les filtres passe-bandes et des filtres atténuateurs. Cet appareil comporte également 21 système de collimateurs 15 et 16 qui limite le faisceau de rayons X avant et après la traversée de l'écran pour le rendre suffi#animent étroit. Ces collimateurs sont solidaires d'un port-objet 17 lui#meAme relié au bloc obturateur 12. Par un système de vis et de boutonnières,ou tout autre dispositif approprié, non représenté, sur la figure, il est possible d'assurer l'alignement mécanique de l'axe 18 du système de collimation (15 et 16) vissé dans le support d'objet 17, avec le foyer du tube à rayons X, 11. les filtres passe-bandes peuvent, entre autres être réalisés en un matériau tel que du molybdène, de l'étain ou du plomb, de grande pureté et de faible épaisseur. Les filtres atténuateurs peuvent être réalisés en nickel. La forme dlt support d'objet 17 est telle qu'elle permet la mise en place des écrans. Dans l'exemple décrit, il a la forme d'un C tel que l'espace libre puisse contenir un bras 19 comprenant du tissu musculaire 20 et du tissu osseux 21. Conformément à l'invention ce bras est placé dans une enveloppe 22 de volume constant et déterminé contenant de l'eau 23 de façon à former avec le bras un écran de mesure dont l'épaisseur totale est constante. Un détecteur 24, qui peut être par exemple un détecteur à scintillation à cristal d'iodure de sodium activé au thallium, est fixé sous le porte-objet 17. Ce détecteur vise le foyer du tube à rayons X à travers le système de collimation 15 et 16. le faisceau de rayons X incidents, bien collimaté afin de limiter au maximum les perturbations dues-aux rayonnements diffusés, tombe sur l'écran de mesure constitué par la combinaison bras-eau (19 - 23) à examiner. le faisceau transmis est recueilli par le détecteur 24 et le nombre des photons est affiché numériquement en 25 grâce à une chaîne de détection 26 comprenant essentiellement une alimentation haute tension 27 pour le détecteur 24, un préamplificateur un unamplificateur 29, un sélecteur monocanal à seuil réglable 30 et un ictomètre 25. Le réseau de courbes d'étalonnage défini précédemment et représenté sur la figure 1 étant préalablement établi, l'expérimentation est menée de la façon suivante. Un premier régime est établi correspondant à la longueur d'onde Xt . Les filtres atténuateurs sont mis en place et on mesure lo Ensuite ces filtres atténuateurs étant retirés et l'écran mis en place on mesure successivement la valeur de #A à la longueur d'onde #1 et I#2 à la longueur d'onde #2.Enfin,en utilisantà nouveau les filtres atténuateurs on mesure Io à la longueur d'onde #2 et on obtient 'dans ces conditions la valeur du rapport 7o pour ces deux longueurs d'onde X1 et Les deux valeurs y3 et y4 ainsi obtenués sont reportées sur le faisceau de courbes de la figure t. Elles sont telles que pour une même épaisseur x , les coefficients d'absorption os#1 et os#2 vérifient la relation générale Io Log I = os dos x + eau deau (XE - x) d'où l'on déduit la valeur de la densité de l'os examiné comme cela a été expliqué précédemment.I La connaissance précise des valeurs Log ## pour la longueur d'onde #1 et #2 conduit à l'utilisation des filtres atténua teurs qui limitent d'une quantité connue le nombre de photons comptés ce qui permet d'utiliser le même détecteur pour toutes les mesures et les taux de comptage sont alors compatibles avec la durée de l'examen "in vivo". Ces filtres atténuateurs sont portés par le porte-filtre 14 et sont réalisés par exemple en nickel. Un perfectionnement à ce premier mode de réalisation d'un appareil conforme à l'invention est décrit au moyen de la figure 3. Il conduit à remplacer le procédé graphique par un ensemble mettant en oeuvre une combinaison d'un calculateur et d'un système d'automatisme. Dans un but de simplification les mêmes éléments portent les mêmes références dans toutes les figures. Le générateur 10 comme dans la variante précédemment décrite est réglé de telle sorte que le tube à rayons X auquel est associé un jeu de filtres passe-bande porté par un porte filtre 33 fournit les deux régimes de fonctionnement. Les faisceaux de rayons X ainsi obtenus situés dans les deux bandes de longueur d'onde k1 et h sont collimatés à la sortie du tube et à l'entrée d'un scintillateur 24 au moyen d'un système de collimateurs 15 et 16. Le bloc obturateur 120; est caractérisé, dans le cas de la variante de la figure 3,par le fait qu'il comporte un obturateur 31 dont l'ouverture et la fermeture sont assurées #automatiquement par la commande 32 au moment du déclenchement de l'examen et des porte-filtres, passe-bande 33 d'une part et atténuateur 35 d'autre part. Comme l'obturateur 31 ces filtres représenté3 et 35. en pointillés sont mis en place automatiquement par les commandes 34/ Be positionnement de ces filtres peut se faire soit par rota tion soit par translation. Les porte-filtres 33 et 35 peuvent être à une, deux ou plusieurs positions correspondant à une, deux ou plusieurs valeurs d'atténuation qui sont sélectionnées par le calculateur 40 de façon que le nombre de photons mesure au moyen de la chaîne de mesure 26 précédemment décrite, à laquelle il est relié reste dans les limites de linéarité du détecteur (scintillateur)24.quelque soit l'organe ou l'objet examiné. En fonction du programme introduit dans le calculateur 40 qui d'une part fournit les ordres au système d'asservissement comprenant la commande 300du générateur et les commandes 32, 34', et 36 des porte-filtres et obturateur, et reçoit l'information fournie par le détecteur 24 et la chaîne de mesure 26, pour la restituer sur un appareil récepteur de donnée 41 sous forme imprimée ou par affichage numérique. L'ensemble mécanique tel que décrit conformément à l'invention comprenant le bloc porte-filtres, le système de collimateurs, et le support d'objet# peut être fixé à tout appareil de rayons X adapté à l'application considérée par tout moyen d'accrochage adéquat, tandis que le détecteur est fixé à l'arrière de la plaque support du collimateur de sortie. Les applications du procédé conforme à l'invention ne se limitent pas à l'ensemble décrit mais à tous corps formé de deux constituants A et B dont l'un est connu et susceptible d'être associé à un matériau de compensation pour former un écran de mesure d'épaisseur constante. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure, au moyen de rayons X, de la densité d'un premier constituant (A) d'un corps en comportant au moins un second (B) de nature différente du premier a'épaisseurs respectives XA et XB, dans lequel on constitue à partir dudit corps un écran de mesure d'épaisseur constante au moyen d'un matériau de compensation présen- tant les mêmes propriétés vis-à-vis des rayons X que le constituant (B) et dans lequel on soumet ledit écran de mesure à un premier et second faisceau de rayons X de longueur d'onde respectivement égale à hui et X caractérisé par le fait que l'on compare la mesure de l'atténuation présentée par ledit écran de mesure auxdits faisceaux avec un réseau de courbes représentatives de l'atténuation présentée aux mêmes faisceaux par une succession d'écrans témoins d'épaisseur totale égale à celle dudit écran de mesure et comprenant chacun un échantillon de meme nature que ledit constituant A, présentant successivement une densité dl, ..... d déterminée et pour chacune de ces densités une n épaisseur croissante. 2. Procédé selon la revendication l, caractérisé par le fait que le constituant A est un tissu osseux et le constituant B un tissu musculaire et que le matériau de compensation est de l'eau. 3. Appareil de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications l et 2, comprenant une source de rayons X coopérant avec un jeu de filtres passe-bande pour fournir un premier faisceau de longueur d'onde Al et un second faisceau de longueur d'onde A2, un système de collimateurs pour limiter les faisceaux avant et après la traversée dudit écran de mesure, et un dispositif de comptage du rapport des photons incidents aux photons recueillis après la traversée dudit écran de mesure pour chacune desdites longueurs d'onde, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un bloc obturateur, un jeu de filtres atténuateurs et un support pour lesdits filtres atténuateurs, ledit support étant solidaire dudit obturateur. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le système de collimateurs est solidaire d'un support d'objet destiné à recevoir les écrans de mesure. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le support d'objet est solidaire dudit obturateur. 6. Appareil selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé par le fait que la source de rayons X est un tube à rayons X à fenêtre de béryllium. 7. Appareil selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé par le fait que les filtres passe-bande sont réalisés en un matériau tel que le molybdène, l'étain ou le plomb. 8. Appareil selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé par le fait que les filtres atténuateurs sont réalisés en nickel. 9. Appareil selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé par le fait qu'il comporte un système d'asservissement pour la commande de l'obturateur et le positionnement des filtres passe-bande et des filtres atténuateurs sur le trajet du faisceau de rayons X dans un ordre déterminé. 10. Application. d'un appareil selon l'une quelconque des revendications 3 à 9 à la détermination du taux de calcium d'un tissu osseux.