Brevet FR2601578A1 — publié le 19880122

APPAREIL DE DETERMINATION DU CONTENU MINERAL OSSEUX DESCRIPTION La présente invention a pour objet un appareil de détection et de visualisation du contenu minéral de tissus 5 osseux, appelé ostéodensimètre en Langage spécialisé, ainsi que, selon une utilisation plus particulière, l'application de cet appareil à un procédé efficient et précis de mesure de la déminéralisation de la colonne vertébrale. IL est en effet connu depuis longtemps que la 10 minéralisation du squelette humain augmente parallèlement à La croissance de La taille de l'individu, et peut se prolonger encore un peu après l'arrêt de cette croissance, jusqu'à ce que les os atteignent un poids maximal vers la trentaine. Apres cette période, le vieillissement est témoin du phénomène inverse: Les os ne se renouvellent pas complètement et leur poids diminue progressivement. Les causes de ce processus ne sont pas complètement élucidées et sont de toute façon nombreuses, La constitution génétique du sujet et la richesse de son régime en calcium jouant par exemple un r6le important. De plus ce 20 phénomène de déminéralisation, outre qu'il touche très irrégulièrement les-individus, est sélectif d'après les os: la colonne vertébrale, le radius et le fémur y sont très sensibles alors que d'autres os restent intacts avec l'âge; les femmes y sont en principe beaucoup plus sujettes que les hommes; enfin, 25 -La déminéraLisation peut être linéaire en fonction du temps ou de plus en plus rapide. Le degré pathologique de ce processus constitue l'ostéoporose. L'os atteint devient petit à petit poreux et finit par perdre ses caractéristiques mécaniques. IL peut devenir inapte à 30 assumer son r8le, et c'est alors L'affaissement du tronc du malade joint à des douleurs vertébrales, la deformation rachidienne ou même La rupture du col du fémur. Cette dernière maLadie entraîne une mortalité de 25% et une invalidité importante dans Le cas contraire. Les coûts pour La santé publique sont donc très élevés et ne peuvent que s'alourdir par suite du vieillissement de La population dans les pays développés. La prévention peut être très avantageuse, ce qui requiert toutefois des moyens de détection adaptés à l'importance de la population à risque (30X des femmes ménopausées sont atteintes d'ostéoporose). Les procédés de diagnostique connus impliquent tous l'irradiation des parties du corps exposées. La technique, courante pour d'autres applications, des rayons X est toutefois 10 insuffisante pour un diagnostic précis et ne peut fournir que des indications générales dans des cas de déminéralisation déjà avancée: les mesures sont affectées par suite de la difficulté à étalonner fidèlement la source de rayonnement et les caractéristiques d'exposition et de traitement du film. On a ainsi développé les techniques de mesures par rayonnement gamma qui présententle double avantage d'être peu irradiantes pour les tissus exposés, et de pouvoir être recueillis par des capteurs tels que des détecteurs à scintillation aptes à traduire l'absorption partielle du 20 rayonnement. Des sources de gadolinium 153 ont plus particulièrement été employées, malgré le coût élevé de ce produit dû à sa faible demi-vie (242 jours): en effet ce corps présente l'avantage d'émettre un rayonnement suivant deux énergies différentes, qui se comportent différemment vis-à-vis des os et des tissus mous et permettent donc de distinguer l'énergie absorbée par ces tissus de celle absorbée en fonction de l'épaisseur de l'os, qui seule intéresse le médecin. Cette distinction est effectuée de façon satisfaisante grâce à un analyseur intégré dans la chaîne de mesure, et iL 30 n'est donc plus nécessaire d'utiliser [es artifices, nécessaires avec des sources à rayonnement à une seule énergie, tels que plonger la partie du corps à examiner dans un récipient d'eau pour simuler une épaisseur constante de tissus mous, ce qui est valable en soi mais peu pratique si l'on s'intéresse à une 35 colonne vertébrale entière. Si on désire remplacer le gadolinium 153, ce qui est d'autant plus légitime que les rayonnements qu'il émet sont assez sensibles à la graisse irrégulièrement contenue dans les tissus traversés, on est donc amené à utiliser une source double. Les 5 auteurs de l'invention ont examiné ce problème auparavant et préconisent l'emploi d'américium 241 (énergie 60 keV, demi-vie 432 ans) et de baryum 133 (356 keV, 10,6 ans) comme posant peu de problèmes de protection radiologique et très peu sensible à la présence de graisse dans les tissus (d'après "Mesures de la masse 10 minérale osseuse par atténuation de photons gamma dichromatiques", par D. Tola, R. Hours et J. Boutaine, dans "Mesure et signification du volume osseux et de la masse osseuse", par Laval-Jeantet et Caulin, publié par Armour-Montagu en 1982). Cette technique ainsi améliorée donne des résultats 15 d'une précision suffisante, alors que la reconstitution de l'image de l'organisme en profondeur par tomographie, qui constitue le meilleur procédé d'investigation actuel, nécessite un appareillage coOteux complété par un ordinateur et reste une technique trop sophistiquée pour une simple mesure d'ostéoporose. 20 Des problèmes supplémentaires, qui sont à l'origine de la présente invention, se posent cependant dans le cas de l'application, très importante, de la technique à l'examen de la colonne vertébrale. Il est en effet nécessaire d'allonger le patient en décubitus dorsal, les jambes légèrement surélevées, de 25 façon à diminuer la lordose lombaire; dans ces conditions, la disposition la plus commode et La moins encombrante consiste à placer La source radioactive au-dessus du patient et le bloc récepteur au-dessous ou vice-versa; les rayons émis sont donc verticaux et on obtient des images de face qui présentent Le 30 désavantage de superposer l'image du corps vertébral, qui intéresse principalement le médecin, à celle de L'arc postérieur qui est moins sujet à la déminéralisation. La précision des relevés est donc affectée par la présence de cet arc postérieur, d'autant plus que sa forme est très irrégulière. On pourrait alors être tenté de disposer le bloc émetteur, porteur de la source radioactive, et le bloc récepteur sur les c6tés du patient de façon à obtenir une image de profil qui isolerait le corps vertébral, mais une autre difficulté apparait alors, les appareils actuels n'étant munis. que d'une 5 source radioactive à cause du coût de gadolinium 153 largement utilisé jusqu'à présent, comme il a été mentionné plus haut, à cause également de la difficulté de recueillir de façon satisfaisante un rayonnement sur une bande continue de détecteurs à scintillation par suite de l'encombrement des détecteurs. 10 L'image est donc construite point par point à l'aide d'un seul capteur situé en regard de la source, ce qui oblige, outre à des immobilisations prolongées, à prévoir un double mouvement de translation de la source et du capteur qui est beaucoup plus facile à accomplir dans le cas d'un faisceau vertical, car les 15 translations se font alors dans le plan horizontal et seuls des moyens mécaniques simples sont requis, ce qui ne serait -pas le cas s'iL était nécessaire de prévoir un mouvement de va-et-vient vertical d'un lourd ensemble. La présente invention a pour but de remédier à ces 20 divers inconvénients; elle a pour objet un appareil de détermination du contenu minéral osseux par absorption partielle - de rayonnements ionisants, comprenant un bloc constitué d'une source radioactive et un autre bloc constitué d'un détecteur de rayonnement placé vis-à-vis de La source en position de travail 25 et séparé de celle-ci par la matière organique à examiner, caractérisé en ce qu'un des blocs est lié par une articulation à un- premier bras, lui-même articulé sur un chariot mobile de L'appareil, tandis que L'autre bloc est solidaire d'un second bras articulé lui aussi sur Le chariot mobile. L'axe de l'articulation du premier de ces bras est paralLèle à La direction de déplacement du chariot tandis que L'axe de L'articulation du second bras est perpendiculaire à cette direction et fait un angle de 450 avec la verticale. Il est donc possible de disposer L'appareil de façon à 35 orienter Le faisceau horizontalement ou verticalement, alors qu'une seule translation du chariot est requise car, suivant une caractéristique importante de L'invention, le bloc récepteur comprend une pluralité de capteurs disposés en plusieurs rangées perpendiculaires à la direction de déplacement du chariot mobile, 5 si bien que Leur translation suivant cette direction permet L'obtention d'images à deux dimensions. L'appareil ainsi conçu est plus particuti*rement----applicable à un nouveau procédé de détermination du contenu osseux de la coLonne vertébrale, caractérisé en ce qu'il consiste 10 à déplacer selon deux opérations de balayage Le chariot mobiLe te long d'un patient en décubitus dorsal sur une table d'examen, les blocs étant disposes au- dessus et au-dessous de lui pour un balayage, à sa gauche et à sa droite pour l'autre balayage, la table étant retirée entre ces deux opérations pour permettre la rotation des deux bras; iL consiste finalement à corriger par des moyens numériques les intervalles de temps entre la prise d'informations concernant les différents points situés --La-mème hauteur du patient par les différents capteurs du bloc détecteur. Une réalisation possible de l'invention, adaptée plus 20 spcécialement au procédé que l'on vient de décrire, est commentée concrètement ci-dessous à l'aide des figures suivantes, données titre iLLustratif et non limitatif: - La figure 1 représente un schéma d'installation par absorptiométrie d'après l'art antérieur; - la figure 2 représente une vue en perspective de l'invention illustrant notamment sa cinématique; - la figure 3 représente une vue de dessus d'un des bras articulés de l'invention, dont La figure 4 donne La forme générale avec une légère perspective; - La figure 5 représente le système de maintien en place de ce bras; - La figure 6 représente le système de maintien en place et de pivotement de L'autre bras; - La figure 7 représente une vue du bloc émetteur avec 35 coupe partielLe; 260 157 8 - Les figures 8 et 9 représentent des vues de c8té et de face avec coupes partielLes du dispositif d'entralnement et de guidage du chariot; et - La figure 10 représente Le bloc récepteur et en particuLier La position des capteurs. La figure I rappelle donc Le principe d'ostéodensimètres par absorptiométrie construits d'après Les conceptions antérieures. Sur un chariot mobile 1 est disposée une source 10 radioactive 2 émettant un faisceau parallèle 3 vers un récepteur 4 situé lui aussi sur le chariot 1 et constitué d'un scintillateur 5 sensible au rayonnement, protégé par un collimateur 6 et complété par un photomultiplicateur 7 lui- mime relié à une chaîne de mesure 8 que l'on ne décrira pas ici en 15 détail mais qui comprend essentiellttement un analyseur de lumière et un moyen de visualisation graphique. Sur le chemin du faisceau 3 se trouve le corps -orgtan-ique -à analyser, ici un avant-bras humain 9 que l'on apercoit en coupe ainsi que son radius et son cubitus. Cet avant20 bras 9 repose sur la partie fixe 10 de l'appareil; dans le cas d'un ostéodensimètre à une source radioactive, il est en outre nécessaire de simuler une épaisseur constante de- tissus mous traversés par le faisceau; le procédé le plus simple consiste à plonger l'avant-bras dans un réservoir 11 rempli d'eau, ce qui 25 serait évidemment beaucoup plus encombrant à appliquer à l'examen de la colonne vertébrale, et moins efficace à cause de l'hétérogénéité des tissus-traversés. La mesure consiste donc- à déplacer le chariot 1 par rapport au bâti 10 selon Le sens des flèches 13. On obtient donc 30 une répartition de l'épaisseur osseuse traversée par le faisceau 3 sur la largeur de l'avantbras 9, c'est-à-dire une information traduisible par une courbe ou encore une Ligne de points colorés en fonction de cette épaisseur traversée, suivant le principe employé pour Les radiographies par rayons X. Les images à deux 35 dimensions sont obtenues par juxtapositions de telles lignes par déplacement progressif du chariot 1 dans une direction perpendiculaire au plan de La figure 1, ce qui est un processus Lent au cours duquel Les déplacements du corps à analyser sont inévitables. La réalisation de l'invention représentée figure 2 comprend tout d'abord un bâti 20- sur lequel sont fixées des glissières 21 représentées figures 8 et 9; elles-constituent le support coulissant d'un chariot mobile 22 muni de deux bras 23 et 24 articulés en 25 et 26 sur le chariot 22. Une des articulations 10 25 possède un axe coLinéaire à celui des glissières 21, L'autre articulation 26 appartient au plan perpendiculaire à la précédente et fait un angle de 45 avec la verticale. A L'extrémité du bras 23 est fixé Le bloc émetteur 27 porteur de la source de rayonnements ionisants et muni d'une enceinte de 15 protection en métal dense, alors que le bloc récepteur 28 qui contient Les capteurs de rayonnement est fixé à l'extrémité de L'autre bras 24. Toutefois, on pourrait envisager l'agencement inverse sans nuire à L'esprit de L'invention.'-:'=_ -: '- Deux positions préférentielles peuvent être définies: 20 dans la première, l'axe du faisceau émis est vertical et les blocs sont à la position définie en 27 et 28 sur le dessin. C'est la solution qui a été adoptée par l'art antérieur. Dans La deuxième position préférentielle, L'axe du faisceau émis est horizontal et les blocs émetteur et récepteur sont disposes 25 suivant 27h et 28h. Les opérations de - rotation peuvent s'effectuer quand la table 29 sur laquelle est allongé le patient a été déplacée. Le déplacement du chariot 22 est assuré classiquement par un moteur 30 qui entraîne une courroie 31. Le bras 23, L'articulation 25 et le bloc émetteur 27 représentés encore schématiquement figure 4 sont décrits plus en détail figures 3, 5 et 7. Le bras 23 est muni d'une- poignée 4G- dont l'action débLoque un verrou 42 par l'intermédiaire d'un câble métallique 41 qui parcourt Le bras 23. Ce verrou 42 35 comprend plus précisément un levier 43 qui réduit la course du cAble 41 et entraîne le retrait d'un doigt 44 susceptible d'être rappelé à sa position initiale par un ressort 45 dès que la poignée 40 n'est plus actionnée. Le doigt 44 permet de bloquer le bras 23 dans les deux positions préférentielles de mesure en 5 s'insérant dans une des deux encoches 45 et 46 d'un verrou 47 fixe. L'articulation 25 elle-même se compose d'un axe 48 lié au chariot 22 de l'appareil, de deux roulements à billes 49'et 50 à contact oblique qui permettent la rotation de l'extrémité alésée 51 du bras 23. Le mouvement du bras 23 est facilité par un vérin 10 52 lié à cette extrémité 51 et assuré par la poignée 40. Comme les directions préférentielles de mesure sont perpendiculaires et que l'angle de rotation imprimé au bras 23 est inférieur à 900, il faut tourner le bloc émetteur 27 du complément. Un système simple, tel qu'une bille de butée 53 15 disposée dans un Logement 54 du bloc 27, poussée par un ressort et disposable dans deux enfoncements 56 et 57 de forme complémentaire situés sur le bras 23, peut être employé pour obtenir la stabilisation de L'axe du faisceau ionisant, la rotation du bloc 27 étant assurée par un manche 58 lié à celui-ci 20 et apte à le mouvoir autour d'un axe 60 lié au bras 23. La source de rayonnements ionisants 61 est disposée à l'intérieur d'un logement de protection biologique 67 percé d'une lumière 66; au cours de l'utilisation de l'appareil la source 61 peut émettre un rayonnement par déplacement d'un écran 25 62 commandé par l'excitation d'un électroaimant 63. Selon L'invention, le collimateur 64 est suffisamment Large pour permettre l'établissement d'un faisceau divergent - et non rectiligne comme c'était Le cas sur La figure 1. L'explication de cette modification sera donnée plus loin. Un ressort de rappel 65 permet d'aveugler La source ionisante 61 dès que l'électro-aimant 63 n'est plus excité. Le mécanisme de rotation du bras 24 et du bloc récepteur 28 est assez différent, comme on Le voit sur La figure 6: Le bras 24 effectue un demitour pour passer d'une position 35 préférentielle de mesure à l'autre, ce qui implique une rotation de 90 du bloc récepteur 28 et de sa face de mesure 70, si bien qu'il est possible de le fixer rigidement sur ce bras. La rotation est effectuée à l'aide d'un moteur 71 couplé à un motoréducteur 72; le mouvement de rotation communiqué à L'arbre 5 73, soutenu par le chariot 22 au moyen de deux roulements à billes à contact oblique 74 et 75, est repris par l'extrémité alésée 76 du bras 24 au moyen d'un ajustement à jeu négatif 77. Un ergot 78 sur l'arbre 73 effleure tour à tour deux contacts diamétralement opposés 79 et 80 qui permettent d'arrêter le 10 moteur 71 et de stabiliser le bloc récepteur 28 sur l'une ou l'autre des positions souhaitées. Si L'on se reporte à présent à la figure 10, on constate que la face 70 du bloc récepteur 28 présente un écran 91 en forme de parallélogramme derrière lequel sont disposées 15 plusieurs rangées de scintillateurs 92 couplés à autant de photomultiplicateurs 93 situés derrière eux et nettement plus encombrants. Chaque couple définit un capteur de rayonnement. Comme d'après cette invention le chariot 22 est animé d'une translation unique selon la double flèche T, et que le 20 patient reste immobile sur La table 29, une image en deux dimensions ne peut être obtenue que par balayage d'une batterie de capteurs qui enregistrent chacun simultanément l'information fournie par une partie du faisceau émis par La source ionisante 61. L'idée la plus immédiate consisterait à disposer les capteurs 25 suivant une Ligne tracée sur la face 70 et perpendiculaire à la direction T. Elle n'est pas réalisable par suite de l'encombrement des photomultiplicateurs 93 ou de dispositifs équivalents que l'on pourrait employer à leur place, tels que les photodiodes ou Les. semi-conducteurs: La résolution des images 30 serait trop faible. Pour résoudre ce problème, on utilise donc des capteurs disposés sur plusieurs rangées, trois sur la figure 10. Cette disposition nécessite évidemment un collimateur 64 de forme adaptée. ElLe implique encore que des informations recueillies 35 simultanément ne concernent pas des points situés à la même hauteur du patient. Il faut en tenir compte dans l'organigramme de création de L'image au moyen, par exemple, d'un temporisateur situé sur la chaine de mesures, l'intervalle entre deux rangées perpendiculaires à la direction T étant équivalent à un 5 intervalle de temps par suite de la translation du chariot 22. Bien entendu, il faut aussi prévoir par un étalonnage préliminaire d'éventuelles disparités de- l'intensité de rayonnement sur chaque capteur. D'autres répartitions des capteurs, telles que les 10 quinconces, peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. On constate donc que l'invention apporte une solution intéressante aux problèmes actuellement posés par une mesure précise de la déminéralisation osseuse, principalement des 15 vertèbres qui sont parmi Les os les plus touchés: dans ce cas précis, on peut commencer par vouloir tirer une image de la colonne vertébrale en incidence verticale comme il est habituel: tes blocs émetteur 27 et récepteur 28 sont disposés comme sur la figure 2, on effectue la mesure par déplacement du chariot 22, 20 après quoi la table 29 est écartée, le bloc récepteur prend la _ position indiquée en 28h, la table 29 est remise en place et le bloc émetteur est déplacé jusqu'à la position 27h; une image de profil de la colonne vertébrale peut alors être réalisée de façon à distinguer l'image du corps vertébral, seul concerné par 25 l'ostéoporose, de celle de l'arc postérieur. Il est avantageux d'apparier la table 29 et le bâti 20 de façon à les positionner avec un faible jeu, comme on le représente figure 8. Pendant La durée de l'examen, la table est immobilisée par des vérins de blocage non représentés ici. Le choix d'une batterie de capteurs autorise comme on L'a vu L'emploi d'un seul mécanisme de translation du chariot 22. La simultanéité des mesures implique en outre un temps d'examen sensiblement réduit si on utilise Les sources radioactives de l'art antérieur. Mais on peut avantageusement utiliser des 35 sources radioactives de fluence (nombre de photons gamma émis par unité de surface et de temps) plus faible. Le temps d'acquisition des mesures en chaque point doit alors être prolongé, ce qui limite les gains de temps d'examen que l'on pouvait espérer; par contre, il est désormais possible d'employer des sources beaucoup 5 moins coOteuses et plus durables que le gadolinium 153, en particulier l'américium 241 et le baryum 133 dont La demi-vie est beaucoup plus importante. Une combinaison faisant appel à un rayonnement X convenablement filtré produit par un tube à rayons X et une source radioactive peut aussi être utilisée. Le rayonnement X peut venir en remplacement de l'élément de faible énergie,par exemple l'américium 241. La simplicité d'un mécanisme qui permet de réaliser des examens selon deux incidences perpendiculaires, qui nécessite cependant l'emploi d'une série de capteurs dont on peut tirer 15 parti par l'emploi d'une source radioactive plus intéressante, justifie donc l'intérêt porté à cette invention. _ _ _ REVENDICATIONS 1. Appareil de détermination du contenu minéral osseux d'un patient par absorption partielle de rayonnements ionisants, comprenant un bloc (27) constitué d'une source de rayonnements 5 ionisants (61) et un autre bloc (28) constitué d'un détecteur de rayonnement placé vis-à-vis de la source en position de travail et séparé de celle-ci par la matière organique à examiner, caractérisé en ce qu'un des blocs (27) est lié par une articulation (60) à un premier bras (23) lui-même articulé sur un 10 chariot mobile (22), suivant une direction de translation (T), de l'appareil, tandis que l'autre bloc (28) est solidaire d'un second bras (24) articulé lui aussi sur le chariot mobile (22), de façon à permettre deux observations successives du patient resté immobile selon deux directions d'irradiation perpendiculaires. 2. Appareil de détermination du contenu minéral osseux selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur (30) relié par une courroie crantée (31) au chariot mobile (22), ainsi que des glissières (21) horizontales guidant la 20 translation de celui-ci selon la direction (T). 3. Appareil de détermination du contenu minéral osseux suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'axe de l'articulation (25) du premier bras (23) est parallèle à la direction de déplacement (T) du chariot (22). 4. Appareil de détermination du contenu minéral osseux selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que L'axe de l'articulation (26) du second bras (24) est perpendiculaire à la direction de déplacement (T) du chariot mobile (22) et fait un angle de 45 avec la verticale. 5. Appareil de détermination du contenu minéral osseux suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de blocage (42, 53, 78) des deux bras (23, 24) et du bloc (27) articulé sur le premier bras (23) définissant deux positions préférentielles d'irradiation telles que les directions respectives d'incidence du rayonnement sont perpendiculaires. 6. Appareil de détermination du contenu minéral osseux suivant la revendication 1, caractérisé en ce que Le bloc (28) 5 détecteur de rayonnement comprend une pluralité de capteurs (92 et 93) qui permettent la détection des rayonnements ionisants non absorbés. 7. Appareil de détermination du contenu minéral osseux suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les capteurs 10 (92 et 93) du bloc détecteur (28) sont disposés sur plusieurs rangées perpendiculaires à la direction de déplacement (T) du chariot mobile, et en ce que leur disposition suivant une projection orthogonale sur un plan perpendiculaire à cette direction (T) définit des intervalles égaux entre deux capteurs 15 et inférieurs aux diamètres de ceux-ci. 8. Appareil de détermination du contenu minéral osseux suivant les revendications I et 6, caractérisé en ce que La source de rayonnements ioniants (61) est constituée d'un ou plusieurs éléments radioactifs de demi-vie supérieure à cinq ans. 20 9. Appareil du contenu minéral osseux suivant les revendications 1 et 6, caractérisé en ce que La source de rayonnements ionisants (61) est constituée d'un élément radioactif de demi-vie supérieure à cinq ans et d'une source de rayons X. 10. Appareil de détermination du contenu minéral osseux selon la revendication 8, caractérisé en ce que Les éléments de La source radioactive (61) sont l'américium 241 et le baryum 133. 11. Procédé de détermination du contenu minéral de La colonne vertébrale d'un patient à L'aide de l'appareil suivant 30 les revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il consiste à déplacer selon deux opérations de balayage le chariot mobile (22) Le long du patient en décubitus dorsal sur une table d'examen (29), Les blocs (27 et 28) étant disposés au-dessus et en-dessous de lui pour un balayage, à sa gauche et à sa droite pour L'autre 35 balayage, la table (29) étant retirée entre ces deux opérations 260 1578 pour permettre la rotation des deux bras (23 et 24), et à corriger par des moyens numériques les intervalles de temps entre la prise d'informations concernant les différents points situés à La mime hauteur du patient par les différents capteurs (92, 93) du bLoc détecteur (28).