Brevet FR2664708A1 — publié le 19920117

PROCEDE DE CORRECTION DU DURCISSEMENT D'UN FAISCEAU DE RAYONS X DANS UN SCANNER L'invention concerne les scanners à rayons X et, plus particulièrement dans de tels scanners, un procédé pour corriger les effets dus au durcissement du faisceau de rayons X polychromatique lorsque ledit faisceau traverse un corps d'épaisseur variable. Pour examiner un patient, on utilise de plus en plus des appareils à rayons X appelés "scanners" qui réalisent des images de coupes transversales du patient. Ces appareils sont basés sur le phénomène physique d'absorption des rayons X par le corps humain. Cette absorption est directement liée à la distance parcourue d des rayons X dans le corps selon la formule I = IOe~d (1) formule dans laquelle Io est l'intensité du rayonnement entrant dans le corps humain, I est l'intensité du rayonnement sortant du corps humain, est un coefficient d'atténuation qui dépend du corps traversé. Dans une échelle de mesure logarithmique, l'atténuation I/Io est égale à d, c'est-à-dire qu'elle est proportionnelle au trajet d dans le corps. Ces appareils sont constitués essentiellement, comme le montre la figure 1, d'une source 10 de rayons X associée à un dispositif de détection 11, ces deux éléments étant disposés l'un par rapport à l'autre dans une relation géométrique fixe de manière à pouvoir intercaler entre eux un corps 15 à examiner. En outre, ils sont supportés par une structure (non représentée) qui peut tourner autour du corps à examiner de manière à irradier le corps suivant des angles différents. La source à rayons X, qui est commandée par un dispositif 13, émet ses rayons suivant un secteur angulaire qui a une largeur suffisante pour illuminer toute la section transversale du corps 15.Le dispositif de détection 11 a la forme d'un secteur annulaire dont la longueur est adaptée à la largeur du faisceau de rayons X et est constitué d'un grand nombre de détecteurs élémentaires 12 juxtaposés les uns à côté des autres. Pour obtenir une image de la section transversale du corps 15 traversé par le faisceau de rayons X, on fait tourner la structure de support de la source 10 et du dispositif de détection 11 autour du corps 15 et on mesure les signaux de sortie des détecteurs élémentaires 12 pour les traiter de manière appropriée dans un dispositif électronique 14 selon des procédés connus afin d'en tirer une image représentative de la section transversale. Lorsque le faisceau de rayons X est monochromatique, l'atténuation est directement proportionnelle au trajet d du rayon dans le corps 15, ce qui correspond à un coefficient A fixe. Cependant, le faisceau de rayons X est polychromatique, ce qui a pour conséquence que l'atténuation varie aussi avec la longueur d'onde du faisceau. Ainsi les rayons de faible énergie sont très atténués, jusqu'à être complètement absorbés par le corps 15, tandis que les rayons d'énergie plus forte sont moins atténués, traversent le corps 15 pour être détectés par le dispositif de détection 11. Ceci a pour effet que l'énergie moyenne du faisceau de rayons X à la sortie du corps 15 est plus grande qu'à l'entrée, phénomène que l'on appelle durcissement du faisceau polychromatique. Ce phénomène de durcissement du faisceau polychromatique se traduit dans la formule (1) par une baisse apparente du coefficient , coefficient qui, dans le cas d'un faisceau polychromatique, correspond à une valeur moyenne. Il en résulte une atténuation moins importante des rayons de haute énergie et donc une augmentation de la valeur des signaux détectés par les détecteurs élémentaires 12 par rapport à la valeur qu'ils auraient en l'absence de ce phénomène. Par ailleurs, ce phénomène de durcissement est d'autant plus accentué que le trajet d dans le corps 15 est plus grand. I1 y a donc aussi une baisse apparente plus importante du coefficient y pour un point se trouvant au centre 0 du corps 15 que pour un point du bord du même corps. Sur l'image de la section d'un corps homogène qui est obtenue après reconstruction, il y a baisse progressive de la densité vers le centre. Pour tenir compte de ce phénomène, il a été proposé d'effectuer une correction des signaux détectés par chaque détecteur élémentaire. La correction la plus répandue est du type polynomial tel que formule dans laquelle Xj est le signal d'atténuation du canal de rang j parmi les n canaux ou détecteurs élémentaires 11; Xj est donné par Xj = Kj log + ssj (3) Io avec Kj et Pj des valeurs individuelles du canal j de rang j après étalonnage. Les coefficients ai de la formule (2) sont choisis pour que l'image d'un corps homogène ne présente pas de variation de densité. En l'absence de durcissement du faisceau, on devrait avoir ydj = Xj; du fait de la correction polynomiale indiquée ci-dessus, on a : dj = K'Ycor + #n (4) en étant l'erreur provenant d'un développement d'ordre n de la formule (2) et K' un coefficient d'adaptation. On peut trouver un jeu de coefficients polynomiaux ai de sorte que En soit négligeable pour un trajet (ou épaisseur) dj compris entre zéro et une valeur correspondant à un patient de corpulence moyenne. Si #n est négligeable, on peut écrire : dj = K' Ycor (5) et 'dj = Ycor (6) avec ' = /K' (7) En utilisant les équations (2) et (6), on obtient : Sur la figure 2, la droite 16 représente la variation du signal d'atténuation X en fonction de 'd dans le cas d'un faisceau monochromatique, c'est-à-dire ai= , et la courbe 17 représente X en fonction de 'd dans le cas d'un faisceau polychromatique.Ces courbes montrent que pour une épaisseur d et un coefficient ' donnés, le signal mesuré XA est inférieur au signal théorique XB que l'on aurait obtenu avec un faisceau monochromatique, ce qui correspond bien à une diminution apparente du coefficient '. Dans les scanners, il est connu d'utiliser un filtre-papillon d'épaisseur variable d' qui est placé à la sortie de la source. Ce filtre est de faible épaisseur au centre du faisceau qui correspond au trajet le plus long dans le corps et de forte épaisseur sur les bords du faisceau qui correspondent à des trajets plus courts dans le corps. Ce filtre a pour effets bénéfiques de réduire la dose de rayonnement, notamment sur les côtés, à ce qui est nécessaire et à uniformiser les signaux au niveau des détecteurs, ce qui permet une amplification plus grande des signaux. Cependant, il a aussi pour effet de durcir le faisceau de rayons X qui irradie le patient et de changer son spectre d'énergie d'un canal à l'autre. I1 en résulte qu'il faut en tenir compte pour déterminer les coefficients ai du polynôme de correction et trouver pour chaque canal un jeu de coefficients ai de sorte que 1 'épaisseur du filtre-papillon "vue" par le canal soit prise en compte et que la densité d'un fantôme homogène soit constante. Le but de la présente invention est de mettre en oeuvre un procédé de correction du durcissement du faisceau de rayons X d'un scanner et, plus particulièrement, un procédé pour déterminer les coefficients du polynôme de correction qui tient compte de la présence d'un filtre-papillon. La présente invention concerne un procédé de correction du durcissement du faisceau de rayons X dans un scanner comportant un filtre-papillon d'épaisseur variable d' qui consiste à effectuer une correction de type polynomial tel que le signal corrigé Ycor sera de la forme avec Xj le signal du canal de rang j et Qi le coefficient de correction polynomial d'ordre i, caractérisé par un changement de coordonnées pour passer d'un système d'axes X1 01 Y1 correspondant à une courbe d'atténuation du signal d'un canal avec filtre-papillon d'épaisseur variable d' à un système d'axes X2 02 Y2 correspondant à une courbe d'atténuation du signal d'un canal sans filtre-papillon tel que le point 02 a pour coordonnées XO et YO telles que X2 = X1 - Xo (9) Y2 = Y1 - Yo (10) avec Yo = IL'd' (11) et XO la racine réelle et positive de l'équation et caractérisé par le fait que la correction qui sera effectuée pour un canal donné qui voit le chemin optique IL'd' a travers le filtre-papillon sera donnée par Les (n-l) coefficients ai et le coefficient ' sont obtenus par les opérations suivantes (a) enlèvement du filtre-papillon; (b) mise en place successive de n fantômes cylindriques de rayons R1 à Rn et mesure pour chaque fantôme des signaux Xj des canaux; (c) calcul pour chaque fantôme de l'intégrale S1 à Sn des signaux des N canaux; (d) calcul des rapports de manière à obtenir un système de (n-l) équations dont les (n-1) inconnues sont les coefficients a2 à an; (e) calcul des coefficients a2 à an; (f) mise en place du filtre-papillon et d'un fantôme de faible épaisseur d1 et mesure des signaux des N canaux;; (g) calcul de ' par la formule Y d1 (6') D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de mise en oeuvre du procédé, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un scanner à rayons X auquel s'applique le procédé selon l'invention, - la figure 2 est un diagramme de courbes montrant l'effet du durcissement du faisceau sur la mesure du signal d'atténuation, et, - la figure 3 est un diagramme montrant le changement de coordonnées qui est effectué dans le procédé selon l'invention. Comme on l'a exposé dans le préambule, la plupart des scanners mobiles sont pourvus d'un filtre-papillon qui change le spectre d'énergie du faisceau d'un canal à l'autre. Cela signifie qu'il faut trouver pour chaque canal un jeu de coefficients de correction ai de sorte que l'épaisseur du filtre-papillon "vue" par lui soit prise en compte et que la densité d'un fantôme homogène soit constante. La correction doit être telle qu'un canal, qui a été étalonné en présence d'un filtre-papillon, doit donner, par définition, un signal d'atténuation nul quand il ne voit que le filtre-papillon. Aussi, la correction proposée correspond à un changement de coordonnées de manière à passer d'un premier système réel où le corps à examiner est balayé à travers un filtre-papillon à un deuxième système où le filtre-papillon est apparemment absent, mais chaque canal a une autre courbe de correction en fonction du point de coupure du filtre-papillon. Ce changement de coordonnées est montré par la figure 3 pour la courbe 18 d'un canal qui voit son chemin optique IL'd' à travers le filtre-papillon dans les deux systèmes d'axes X1 O1 Y1 et X2 O2 Y2, Le point O2 ayant les coordonnées XO et YO tel que X2 = X1 - Xo (9) Y2 = Y1 - Yo (10) avec Yo = 'd' (11) et Xo qui est donné par la racine réelle et positive de l'équation (8) tel que IL'd' étant le chemin optique vu par un canal à travers le filtre-papillon. Des équations (9), (10) et (11), on tire : X1 = X2 + Xo (13) Y1 = Y2 + 'd' (14) puis en reportant ces valeurs dans l'équation (8), on obtient La correction qui sera effectuée pour un canal donné qui voit un chemin optique IL'd' à travers le filtre-papillon sera formule dans laquelle une partie des termes s'annulera compte-tenu de l'équation (12). La correction définie par l'équation (16) dépend de n paramètres - (n-l) paramètres pour ai - 1 paramètre pour ' Par ailleurs, d' dépend uniquement de la formule du filtre-papillon et XO dépend (formule 12) de IL'd' et ai. Afin de déterminer ces n paramètres, l'invention propose un procédé basé sur les remarques suivantes. Dans le cas de deux corps homogènes de forme cylindrique dont les sections ont des rayons R1 et R2 , l'intégrale des signaux d'atténuation de tous les N canaux sont tels que S étant égal à à condition que le rayonnement X soit monochromatique et que les corps cylindriques soient centrés autour de l'isocentre O du scanner. Comme ces coefficients ai sont identiques en présence ou non du filtre-papillon, on détermine ces paramètres sans filtre-papillon. Pour déterminer ces paramètres, le procédé selon l'invention consiste à utiliser n fantômes cylindriques différents de rayons respectifs R1 à Rn et à mesurer les signaux Xj des n canaux pour chacun des n fantômes. Afin d'améliorer le rapport signal/bruit, on peut également prendre la moyenne des signaux Xj pour un tour du scanner. L'étape suivante consiste à mettre en oeuvre l'équation (17) en calculant les (n-l) rapports suivants - N Xj i Xi + i Xj 2 sl g i=2 fantôme 1 R1 = =, (l82) N Xi t - 2 2 z X; aI j Xj 1=2 fantôme 2 R2 N i z Xi z ai Xj 2 3 i 3 i=2 fantôme 2 R2 = ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ = ~~~ (183) N 2 z Xj xj fantôme 2 S3 i Xj i=2 fantôme 3 et ainsi de suite jusqu'au nième fantôme 5n-1 S. Xj N Xj xj fantôme n-1 Rn-l 2 3 = = 5n N +.N j + 2 ti j ] fantôme n - 2 Rn 3 Ce système de (n-l) équations (182) à (18n) permet de déterminer les (n-l) coefficients &alpha;2 à &alpha;n. Le coefficient ' peut être déterminé en mettant en place le filtre-papillon et en mesurant les signaux Xj des canaux avec un fantôme de faible épaisseur dl tel que Ycor est sensiblement égal à Y. Alors ' est donné par application de la formule (6) ' = Y (6') a1 Le procédé de correction du durcissement d'un faisceau de rayons X dans un scanner, c'est-à-dire le procédé qui permet de déterminer les coefficients a2 à an de la correction polynomiale de degré n et le coefficient ', comprend les étapes suivantes (a) enlèvement du filtre-papillon; (b) mise en place successive de n fantômes cylindriques de rayons R1 à Rn et mesure pour chaque fantôme des signaux Xj des canaux; (c) calcul pour chaque fantôme de l'intégrale S1 à Sn des signaux des N canaux. (d) calcul des rapports de manière à obtenir un système de (n-l) équations dont les (n-l) inconnues sont les coefficients a2 à an; (e) calcul des coefficients a2 à an (f) mise en place du filtre-papillon et d'un fantôme de faible épaisseur dl et mesure des signaux des N canaux; (g) calcul de ' par la formule ' = Y (6') d1 I1 est possible de mettre en oeuvre le procédé en maintenant en place le filtre-papillon mais les calculs des coefficients ai sont plus compliqués car il faut tenir compte de IL'd'. REVENDICATIONS 1. Procédé de correction du durcissement d'un faisceau de rayons X dans un scanner comportant un filtre-papillon d'épaisseur variable d' qui consiste à effectuer une correction de type polynomial tel que le signal corrigé Ycor sera de la forme avec Xj le signal du canal de rang j et ai le coefficient de correction polynomial d'ordre i, caractérisé par un changement de coordonnées pour passer d'un système d'axes X1 01 Y1 correspondant à une courbe d'atténuation du signal d'un canal avec filtre-papillon d'épaisseur variable d' à un système d'axes X2 02 Y2 correspondant à une courbe d'atténuation du signal d'un canal sans filtre-papillon tel que le point 02 a pour coordonnées XO et YO telles que X2 = X1 - Xo (9) Y2 = Y1 - Yo (10) avec YO = IL'd' (11) et XO la racine réelle et positive de l'équation et caractérisé par le fait que la correction qui sera effectuée pour un canal donné qui voit le chemin optique IL'd' à travers le filtre-papillon sera donnée par 2. Procédé de correction selon la revendication 1, caractérisé en ce que les (n-l) coefficients ai et le coefficient ' sont obtenus en effectuant les opérations suivantes (a) enlèvement du filtre-papillon; (b) mise en place successive de n fantômes cylindriques de rayons R1 à Rn et mesure pour chaque fantôme des signaux Xj des canaux; (c) calcul pour chaque fantôme de l'intégrale S1 à Sn des signaux des N canaux. (d) calcul des rapports de manière à obtenir un système de (n-l) équations dont les (n-l) inconnues sont les coefficients a2 à an; (e) calcul des coefficients a2 à an (f) mise en place du filtre-papillon et d'un fantôme de faible épaisseur dl et mesure des signaux des N canaux; (g) calcul de ' par la formule Y ' = Y (6') d1