Brevet FR2539294A1 — publié le 19840720

La plupart des équipements hospitaliers modernes à rayons X non seulement enregistrent des images sur des plaques radiographiques, mais également peuvent produire une image lumineuse secondaire sur un écran à scintillation qui peut être vu directement, photographie à l'aide d'un appareil de prise de vues fixe ou d'un appareil cinématographique, ou bien, comme c'est le cas de la présente'invention, l'image lumineuse secondaire peut être analysée au moyen d'un explorateur à spot mobile qui convertit l'image secon- daire en signaux électriques correspondants pour une visualisation sur un tube à rayons cathodiques, par exemple L'expression "explorateurs à spot mobile" englobe, entre autre, des explorateurs mécaniques de télécopie photoélectrique, des tubes-images de caméras de télévision de tous types, des renforçateurs d'image, des visionneuses photoélectriques à semiconducteurs, linéaires et de surface, à exploration externe ou autonome, tels que des réseaux de photodiodes explora- tion autonome, des dispositifs d'injection de charges et des dispositifs à transfert de charges (par exemple les dispositifs CCD de la firme Fairchild, Palo Alto, Californie) et autres explorateurs et analyseurs. Tous ces explorateurs à spot mobile utilisent l'effet photoélectrique, alors qu'un écran à scintilla- tion produit son image lumineuse secondaire par lumi- nescence Par conséquent, les gammes dynamiques des explorateurs et des écrans diffèrent considérablement. La gamme dynamique est le rapport du point lumineux le plus brillant au point lumineux le moins brillant d'une source d'image telle que l'écran à scintillation, ou le rapport de l'intensité lumineuse la plus bril- lante à l'intensité lumineuse la moins brillante qu'un, explorateur ou analyseur à spot mobile puisse résoudre. La gamme dynamique de l'écran est influencée par le type de processus à rayons X, la tension du tube à rayons X, les dimensions et les proportions de l'os, 2539294. des tissus et de l'air du sujet La lumière d'un écran à scintillation, compte tenu de la perte dans le sys- tème de lentilles projetant l'image sur l'explorateur, peut varier, d'un point à l'autre de l'image, dans une gamme dynamique de 1000 Un tubeimage typique de caméra de télévision, destiné à ces faibles niveaux de lumière, possède une réponse linéaire sur une gamme dynamique de seulement 100 à 150 Ainsi, un tube-image typique peut répondre linéairement à seulement une fraction, par exemple un dixième, de la gamme lumi- neuse dynamique d'un écran à scintillation actuel. Il est évident que le détail, la résolution et le contraste subissent des pertes au niveau de la conver- sion de l'image par scintillation en signaux électri- ques. De plus, le manque d'efficacité optique du système de lentilles projetant l'image à scintillation sur l'explorateur ou analyseur atténue la lumière reçue par le tube, non seulement d'une manière générale, mais en particulier par le processus de la loi de Lambert ou du cosinus qui réduit la lumière provenant des angles de l'image de l'écran à scintillation les plus éloignés du centre La réduction particulière de lumière déforme et réduit le contraste des parties du signal électri- que et de l'affichage correspondant aux angles de l'image à scintillation. L'invention a donc pour objet un appareil électro-optique qui reproduit pratiquement la totalité de la gamme dynamique des valeurs d'intensité lumi- neuse de toute la surface d'une image. L'appareil selon l'invention, destiné à convertir en signaux électriques une zone image pré- sentant une certaine plage de valeurs d'intensité lumineuse, comprend au moins deux dispositifs électro- optiques visant la zone image et comportant des élé- ments optiques distribuant la lumière provenant dé la zone image, et des éléments qui réagissent Z 539294 électriquement pour produire des signaux électriques correspondant respectivement aux intensités lumineuses provenant de la zone visée. Plus particulièrement, les dispositifs électro- optiques respectifs visent des parties sensiblement différentes de la zone image, par exemple les quatre quadrants d'une zone d'image secondaire rectangulaire. Dans une autre forme de réalisation, les dispositifs électro-optiques visent sensiblement la même zone image, et chaque dispositif électrooptique produit des signaux électriques correspondant à des plages diffé- rentes d'intensité lumineuse. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lequel: * la figure 1 est un schéma optique d'un appareil à rayons X produisant une image visible conformément-à l'invention dont certaines pièces de la structure, y compris un masque mobile, sontmontrées schématiquement; la figure 2 estune vue suivant l'axe de rayonnement de la figure -1; et les figures 3 et 4 sont des schémas opti- ques d'autres formes de réalisation de l'invention. Dans l'appareil à rayons X montré sur les figures 1 et 2, la source de rayons X est constituée par le foyer X situé sur l'anode a d'un tube à rayons X XT A partir de la source X, un faisceau pyramidal ou conique B rayonne suivant un axe de rayonnement Ai passant par la position P d'un sujet, par exemple un patient humain, reposant sur une table T de support transparente aux rayons X Au-delà de la positions du patient se trouve un récepteur R de rayons X pré- sentant une zone ou un plan IA de formation d'image, sensible aux rayons X, de largeur W Généralement, le récepteur est un écran à scintillation émettant un rayonnement secondaire visible à la réception de 2559294 a 4rayons X, mais d'autres récepteurs de rayonnement connus tels qu'une pellicule peuvent être utilisés. L'image du rayonnement secondaire produite dans la zone IA est vue, suivant l'axe Ai, par un dispositif électro-optique utilisateur comprenant l'un des explorateurs ou analyseurs à spot mobile mentionné précédemment, par exemple un-tube-image VT de caméra de télévision, qui convertit l'image secondaire en une image complète formée de signaux électriques vidéo correspondant au sujet examiné, et un système de lentilles L qui projette l'image secondaire sur la surface sensible à la lumière présentée par l'extré- mité réceptrice du tube-image VT; L'image secondaire peut également être projetée par des fibres optiques sur un réseau de photodiodes. Le tube XT à rayons X est monté dans un pre- mier chariot 2 pouvant exécuter un mouvement alternatif sur un bâti principal 1 de façon à s'éloigner et se rapprocher de la position P du patient Le récepteur R, les dispositifs électro-optiques, la lentille L et le tube vidéo VT sont montés dans un second chariot 3 qui, lui-même, est monté de façon similaire afin de pouvoir exécuter un mouvement alternatif sur le bâti principal 1. La table T du patient est habituellement supportée de façon indépendante du bâti principal 1 et des chariots 2, 3, comme indiqué,-par exemple, dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique n O 3 892 967. Le faisceau B de rayons X est partiellement intercepté par un masque opaque aux rayons X compre- nant un premier disque rotatif Dl qui présente généra- lement quatre fentes ou fenêtres Wl transparentes aux rayons X Comme représenté sur la figure 2, les fené- tres Wl ont la forme de secteur et transmettent un faisceau F de rayons X de balayage en forme d'éven- tail, tandis que le disque Dl masque la partie restante 2539294 &; du faisceau conique B pour le récepteur R Cependant, les fenêtres peuvent se présenter sous la forme de fentes rectangulaires à bords parallèles, ménagées dans une courroie effectuant un mouvement linéaire ou alternatif à travers le faisceau B de rayons X. L'expression "largeur de fenêtre" utilisée ci-après désigne la largeur moyenne d'une fenêtre en secteur ou la largeur constante d'une fenêtre rectangulaire. Un disque rotatif D 2, analogue au précédent, mais plus grand, présentant quatre fenêtres W 2 transparentes à la lumière, est disposé entre la lentille L et le tube vidéo VT, en avant du plan image de la lentille L. Les deux disques Dl, D 2 sont mis en rotation sur un axe commun A 2 par des moteurs synchrones Ml, M 2, respectivement Comme représenté sur la figure 2, les fenêtres Wl, W 2 des disques sont superposées optique- ment afin que, lorsque le premier disque de masquage Dl est entraîné en synchronisme par connexion, par l'intermédiaire d'une commande 5 de vitesse, sur des bornes p d'alimentation en courant alternatif régulé par une horloge, les fenêtres W 2 du second disque balaient ou explorent la zone IA de l'image secondaire à peu près en même temps que la même zone est balayée ou explorée par les fenêtres Wl du premier disque Le circuit 4 de déviation horizontale et de-déviation verticale de l'analyseur à tube-image est également connecté aux bornes p de commande de synchronisme afin que son balayage soit coordonné avec les masques. Avec un écran à scintillation à persistance d'image très brève, le balayage par le tube-image est à peu près simultané au balayage réalisé par les masques. Mais le récepteur peut présenter une durée d'activité résiduelle de l'image secondaire. Le tube XT à rayons X est alimenté par une commande électronique 7 d'exposition aux rayons X connectée, par l'intermédiaire du moteur Ml, aux bornes 2 d'alimentation A titre illustratif, la 2539294 ' commande électronique est représentée par une analogie mécanique Cette analogie comprend une came rotative 6 formant un interrupteur S en synchronisme avec le dis- que Dl de manière que la commande 7 d'exposition aux rayons X, en réponse à la fermeture de l'interrupteur S, alimente le tube XT à rayons X à peu près unique- ment pendant les intervalles de temps au cours desquels les fenêtres Wl du masque à rayons X laissent passer les rayons X vers la zone image IA du récepteur et non pendant les intervalles de temps au cours desquels le faisceau en éventail transmis va au-delà de la zone image, ce qui réduit la demande en énergie et la dispersion des rayons X, et ce qui accroit la puis- sance instantanée admissible du tube. Comme représenté sur la figure 3, il est pos- sible d'accroître notablement le rendement du système électro-optique comprenant l'optique à lentilles et l'explorateur ou analyseur à spot mobile en utilisant plusieurs lentilles et explorateurs visànt des zones distinctes et séparées les unes des autres de l'image secondaire formée sur le récepteur R, dans le plan IA. La zone image est de préférence divisée en quatre quadrants vus respectivement par quatre systèmes opti- ques Ll, VT 1; L 2, VT 2; L 3, VT 3; et L 4, VT 4, les troi- sième et quatrième de ces systèmes se trouvant en arrière des premier et second systèmes, comme montré sur la figure 3 Les quatre tubes vidéo sont commandés par un circuit 4 * de déviation horizontale et verti- cale, modifié pour synchroniser le balayage des tubes respectifs afin que les lignes de balayage se rejoi- gnent effectivement à leur passage d'un quadrant à l'autre de la zone image Les signaux respectifs de sortie des quatre tubes analyseurs sont transmis à un visuel 8, par exemple un tube à rayons cathodiques, avec le même synchronisme que le balayage, afin de reconstituer les quatre quadrants d'image en une image affichée continue. 2539294: Chacune des quatre lentilles est disposée de façon à viser les angles ou coins de son quadrant respectif sous un angle plus faible, ce qui réduit la perte de luminosité, due à la loi de Lambert, dans les angles de l'image entière De plus, chacune des quatre lentilles L 1-L-4 présente une distance focale sensible- ment plus courte que celle de la lentille unique L des figures 1 et 4, et, du fait de leur distance focale plus courte, leur ouverture peut être plus grande De plus, le rapport signal/bruit de l'image affichéesur le visuel 11 est notablement amélioré lorsque l'image de l'écran à scintillation est vue-au moyen de plusieurs lentilles et de plusieurs tubes explorateurs. Dans l'appareil de la figure 4, une image secondaire est produite par des rayons X sur la zone image d'un récepteur R de rayonnement, comme décrit précédemment L'image de la zone IA est projetée par un système optique, représenté par la lentille unique Ll, par l'intermédiaire d'un semi-réflecteur M sur les surfaces sensibles à la lumière de deux tubes- images VT 5 et VT 6 de caméras vidéo Autrement dit, les deux tubes-images voient sensiblement la même surface du-récepteur R Le semi-réflecteur M, par exemple un miroir à couche mince, transmet une fraction de la lumière provenant de l'image secondaire vers le pre- mier tube-image VT 5, et réfléchit la fraction restante vers le second tube-image VT 6 Un miroir à couche mince est constitué d'une membrane transparente très fine qui est supportée par un bâti métallique plat. Le rapport du coefficient de 'réflexion au coefficient de transmission est déterminé par la couche appliquée par évaporation sous vide d'un métal tel que de l'ar- gent ou de l'aluminium La proportion entre la lumière transmise et la lumière réfléchie peut être modifiée par sélection de miroirs dont les réflexions diffèrent quantitativement afin que les intensités lumineuses arrivant sur les tubes-images VT 5 et VT 6 'correspondent à des plages différentes, quoique de préférence se recouvrant, des intensités lumineuses de la zone-image visée L'analyse par les deux tubes vidéo est synchro- nisée ou autrementcoordonnée par un générateur commun 4 de déviation horizontale et de déviation verticale, connecté aux deux tubes Les signaux électriques pro- duits par les deux tubes sont transmis par des connexions à un calculateur 10 qui comprend un mélan- geur destiné à combiner les signaux respectifs pour reconstituer électriquement la zone image originale et transmettre le signal mélangé résultant, par une connexion, à-un visuel 11 affichant l'image reproduite. Comme mentionné précédemment, les intensités lumineuses de la zone image IA peuvent s'étendre sur une gamme dynamique de 1000 alors que la gamme des tubes-images VT 5, VT 6 peut n'être que de 100 Par exemple, si l'écran à scintillation (IA sur la figure 4) est du type Gd 202 S bien connrd, et si une image lumineuse à scintillation, ayant une gamme dyna- mique de 1000, est focalisée par une lentille sur la face d'un tube d'amplificateur de luminance à cible de silicium, à niveau lumineux faible et simple, par exemple le tube du type "RCA 4804/H", l'éclairement lumineux de la-face du tube peut généralement être de l'ordre de lxl O 4 à lx O 10 lux, ce qui est environ dix fois supérieur à la plage de réponse linéaire du tube Mais, par exemple, en choisissant un semi- réflecteur M qui transmet 90 % de la lumière image incidente au premier tube-image VT 5 et qui réfléchit % vers le second tube, le premier tubeimage reçoit alors la lumière comprise dans une gamme dynamique de 0,9 100 000 e à 0,9 100 e, soit environ la gamme dyna- mique de 1000 de l'image à scintillation Dans cette gamme, le premier tube réagit avec fidélité unique- ment aux intensités comprises entre 0,9 1000 e et 0,9 100 000 e, à savoir le 100 e inférieur de la gamme 2553294: dynamique de l'image Cependant, le second tube-image VT 6 reçoit de la lumière correspondant à la totalité de la gamme dynamique de l'image, mais réduite à 10 % de l'intensité par le faible coefficient de réflexion du semi-réflecteur M Par suite de la réduction par dix de l'intensité lumineuse de l'image, l'intensité maximale de l'image réfléchie est comprise dans la plage du tube VT 6 Ainsi, les deux tubes réagissent ensemble pratiquement à la totalité de la gamme dyna- mique de 1000 de la zone image, tout en restant dans les possibilités de leurs gammes dynamiques individuel- les de 100 Pour être concis, la gamme dynamique de la zone image, de 10 4 à 10-1 lux, est couverte par la gamme dynamique de 0,9 x 10 5 à 0,9 x 10-3 du tube- image 5 et par la gamme dynamique du second tube VT 6, qui est également de 0,9 x 105 à 0,9 x 103 O La partie la plus claire de la zone image est convertie en signaux électriques avec une fidélité substantielle par le premier tube, et la partie moins claire l'est par le second tube, les gammes dynamiques utiles présentant un chevauchement d'un ordre de grandeur entre 0,9 x 10-3 et 0,9 x 102 lux. Ainsi, l'utilisation de deux tubes, ayant chacun une gamme dynamique de 100, élève la gamme 425 dynamique de deux tubes non pas à 100 + 100 = 200, mais plutôt en l'élevant au carré, c'est-à-dire pres- que 1002 = Id 000 Avec trois tubes, la gamme dynami- que est portée à une valeur presque égale au cube, c'est-à-dire que l'on a presque 1003 = 1 000 000. La lumière provenant de l'image est distribuée vers les trois tubes par des semi-réflecteurs croisés (un miroir à couche mince supplémentaire placé à 90 par rapport au miroir M montré sur la figure 4). Lorsque plusieurs tubes sont utilisés avec des semi- réflecteurs, la proportion de la transmission à la réflexion peut être choisie pour correspondre aux gammes dynamiques respectives des tubes demandées pour 2539294 * couvrir la gamme de l'image. Cependant, plusieurs tubes-images visent la zone image et tous leurs signaux sont traités en continu par le calculateur 10 qui comporte des moyens destinés à transmettre un signal à la fois au visuel 11 pendant que les tubes analysent ou explorent l'image spot par spot Dans l'appareil de la figure 4, on choisit de transmettre le signal provenant d'un tube présentant une première gamme dynamique lorsque le spot analysé à -10 cet instant possède une valeur d'intensité supérieure ou inférieure à une valeur d'intensité de recouvrement comprise dans la plage de recouvrement ou à la limite de la gamme dynamique adjacente d'un autre tube. Lorsque l'intensité de spotsanalyséssuccessivement atteint, en passant à travers la valeur de recouvre- ment, une valeur comprise dans la gamme d'un autre tube, le signal de cet autre tube est transmis au visuel. Ainsi, un signal continu, provenant alternativement de deux tubes ou plus, est affiché. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et repré- senté sans sortir du cadre de l'invention. 2539294: REVENDI CATIONS 1 Appareil à rayons X pour l'examen radio- logique d'un sujet, comprenant une source (X) de rayons X qui émet des rayons X à travers le sujet, et un récepteur (R) de rayons qui, en réponse aux rayons X transmis, produit une image secondaire dans une zone image (IA), ayant une gamme de valeurs d'intensité lumineuse, dans la zone, correspondant au sujet, l'appareil étant caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux dispositifs électro-optiques visant la zone image et comprenant des éléments optiques (L) qui répar- tissent la lumière provenant de la zone image entre les dispositifs êlectro-optiques respectifs, et des élé- ments (VT) qui réagissent électriquement en produisant des signaux électriques correspondant respectivement aux intensités lumineuses provenant de la zone visée par les dispositifs électro-optiques respectifs. 2 Appareil selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comporte des moyens commandés par un calculateur ( 10), destinés à combiner les signaux respectifs de la zone image pour reconstituer électri- quement cette zone image. 3 Appareil selon la revendication 2, carac- térisé en ce que les moyens de combinaison comprennent des éléments destinés à joindre des signaux successifs provenant de la zone pourreconstituer des signaux de zone produits successivement. 4 Appareil selon la revendication 2, carac- térisé en ce que les moyens de combinaison comprennent des éléments destinés à superposer effectivement des signaux respectifs de la zone. Appareil selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens de visée comprennent des explorateurs ou analyseurs à spot mobile et des moyens destinés à commander le mouvement d 3 exploration du spot. 6 Appareil selon la revendication 2, carac- térisé en ce que les moyens de visée comprennent des 2539294: explorateurs ou analyseurs à spot mobile et des moyens destinés à coordonner les explorateurs et les moyens de combinaison. 7 Appareil selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comporte une source (X) de rayons X, la zone image étant formée sur un écran à scintillation, en réponse aux rayons X, pour produire une image secondaire sur-cette zone. 8 Appareil selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comporte des moyens d'utilisation des signaux électriques. -9 Appareil selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comporte un visuel ( 8 ou 11) pour les signaux électriques. 10 Appareil selon la revendication 9, carac- térisé en-ce qu'il comporte une source (X) de rayons X, la zone image étant formée sur un écran à scintillation, en réponse aux rayons X, afin de produire une image secondaire dans la zone. 11 Appareil selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'au moins deux dispositifs électro- optiques sont disposés de façon à viser sensiblement la même zone image (IA), chaque dispositif électo- optique comprenant des éléments (VT 5, VT 6) sensibles à la lumière qui produisent des signaux électriques correspondant à dés gammes différentes d'intensité lumineuse de la zone image. 12 Appareil selon la revendication 11, carac- térisé en ce que les dispositifsélectro-optiques compren- nent des moyens optiques (L) destinés à répartir la lumière provenant de la zone image vers des éléments respectifs sensibles à la lumière. 13 Appareil selon la revendicatiovll, carac- térisé en ce que les dispositifs électro-optiques comprennent un semiréflecteur (M) recevant la lumière de la zone image et répartissant des proportions d'intensité différente de la lumière reçue vers des 2539294 I éléments respectifs, sensibles à la lumière, afin que les dispositifs électro-optiques respectifs présentent des plages effectives différentes de réponse à la lumière de la zone image. 14 Appareil selon la revendication 11, carac- térisé en ce que les plages effectives de réponse des dispositifs électro-optiques respectifs s'étendent sensiblement sur la gamme de valeurs d'intensité lumineuse de la zone image. 15 Appareil selon la revendication 1, carac- térisé en ce que plusieurs dispositifs électro-optiques sont disposés pour viser sensiblement différentes par- ties de la zone image. 16 Appareil selon la revendication 15, carac- térisé en ce que les dispositifs électro-optiques sont des explorateurs ou analyseurs à spot mobile. 17 Appareil selon la revendication 16, carac- térisé en ce qu'il comporte un élément commun ( 4) de déviation de balayage commandant les divers explora- teurs. 18 Appareil selon la revendication 15, carac- térisé en ce que quatre explorateurs ou analyseurs (VT 1, VT 2, VT 3, VT 4) à spot mobile visent des quadrants respectifs des images secondaires.