Brevet FR2717367A1 — publié le 19950922

SOURCE A RAYONS X POUR LA MAMMOGRAPHIE L'invention concerne une source à rayons X utilisée en radiographie et tout particulièrement en mammographie présentant un spectre d'émission quasi monochromatique, permettant d'améliorer la qualité des images obtenues et notamment le contraste. Les sources à rayons X pour la mammographie se distinguent des sources pour les autres applications de la radiographie en raison de la nature de l'organe à radiographier. En effet, le sein est composé de trois tissus différents, la peau, le tissu adipeux et le tissu fibro-glandulaire, et peut être atteint de deux types de lésions différents, le carcinome et les calcifications. De plus, le sein émet un important niveau de rayonnement diffusé. Ce sont les différences d'atténuation à travers le sein qui font le contraste de l'image et comme la composition des tissus qui le composent est voisine, il est nécessaire d'utiliser des rayonnements de basse énergie. Une source à rayons X est composée d'un tube à rayons X et d'une enveloppe protectrice appelée gaine. Un tube à rayons X comporte essentiellement une cathode émettant des électrons et une anode entre lesquelles est appliquée une haute tension électrique de façon à accélérer les électrons pour qu'ils entrent en collision avec les atomes de l'anode. Entre le faisceau d'électrons incidents en provenance de la cathode et les atomes du matériau cible de l'anode qui a un numéro atomique élevé, il existe un grand nombre d'interactions quand les électrons pénètrent dans la matière. La majorité de ces interactions consiste en une ionisation des couches extérieures des atomes de la cible, l'énergie des électrons se transformant en chaleur. Par contre, d'autres interactions plus rares produisent des rayons X, telles que: - le choc d'un électron contre un noyau d'atome, l'énergie cinétique de l'électron se transformant en énergie du photon X émis qui possède la longueur d'onde la plus courte A 12.35 kV - le passage d'un électron à proximité d'un noyau qui dévie sa trajectoire à cause de la forte attraction électrostatique. L'électron sort de l'interaction avec une perte d'énergie égale à l'énergie du photon X émis, la décélération rapide de l'électron qui produit la radiation correspond à un rayonnement par freinage; - le choc, ou le passage à proximité, d'un électron incident et d'un électron qui orbite autour du noyau. Lorsque l'électron incident a une énergie suffisante, l'électron en orbite est éjecté et la place vacante est occupée par un électron d'une orbite extérieure. Le passage d'un électron d'une orbite extérieure à une orbite intérieure produit un photon X dont l'énergie est caractéristique de l'atome. Selon ces phénomènes, on constate que le spectre de rayons X émis par l'anode - c'est-à-dire la variation d'intensité de rayonnement en fonction de la longueur d'onde des photons émis - est composé d'une part d'un fond continu, appelé rayonnement de freinage, et d'autre part d'un spectre de raies caractéristiques du matériau d'anode, qui se superposent au fond continu et qui correspondent aux radiations semi-monochromatiques. L'origine de ces raies est une interaction électron incident-électron de l'atome et leurs longueurs d'onde sont définies par la nature de l'anode, c'est-à-dire par le numéro atomique de l'élément la constituant. La figure 1 représente le spectre d'une anode en Rhodium, soit l'intensité du rayonnement en fonction de la longueur d'onde, pour différentes valeurs de la tension d'excitation entre la cathode et l'anode. Le fond continu peut être exprimé, en première approximation, par une fonction linéaire de l'intensité I en fonction de l'énergie E des photons émis I(E) = C.Z.(Emax - E) Z étant le numéro atomique et C une constante. La figure 2 est une représentation graphique de l'intensité I du rayonnement émis en fonction de l'énergie E des photons, avec Emax = 100kV ou 60kV. L'énergie photonique totale émise étant proportionnelle à l'aire de la courbe I = f(E), cette énergie est donc proportionnelle à E2maX car l'intensité totale s'écrit: C = ~ .Z.E2maX = K.Z.E2,ax 2 Ce spectre d'émission de l'anode peut être modifié, notamment par absorption par les milieux qu'il traverse avant d'atteindre l'objet à radiographier. Quand un faisceau de rayons X traverse un milieu, soit un matériau d'épaisseur constante d, son intensité subit une réduction et l'intensité I du faisceau transmis, obtenu après passage à travers la matière, est de la forme I = Io.e~U-d = ss étant le coefficient d'absorption linéaire du milieu traversé, F étant la densité du matériau et /9 étant le coefficient massique d'absorption ou atténuation. Or ce coefficient massique d'absorption n'est pas constant pour les différentes longueurs d'onde, et les rayonnements mous sont absorbés plus rapidement que les rayonnements durs. Ainsi un filtre placé sur le trajet du rayonnement a tendance à homogénéiser le spectre. A ce phénomène d'absorption massique, il faut ajouter l'effet photoélectrique ou rayonnement de fluorescence produit par les photons qui chassent des électrons des couches K, L, etc... et provoque des discontinuités brutales d'absorption, comme le montre la figure 3 représentant la variation du coefficient d'absorption massique du platine en fonction de la longueur d'onde. L'électron arraché à l'atome est propulsé dans la matière avec une certaine énergie cinétique. Pratiquement toute l'énergie du photon incident est transmise à l'électron, ce qui entraîne une série d'ionisations et d'excitation avec finalement dissipation de chaleur. Lorsque le photon incident a l'énergie exacte de l'effet photoélectrique, soit h. J = EK - EL ou est l'énergie incidente qui correspond aussi à l'énergie d'émission des raies spectrales et où EK et EL sont les énergies des couches K et L respectives, le photon n'arrive plus à chasser un électron et l'effet photoélectrique cesse, provoquant une forte et brusque diminution de l'absorption. Entre deux discontinuités d'absorption, le coefficient d'atténuation massique peut s'écrire en première approximation /p = c.z4.X3 {loi de Bragg-Pierce} où Z est le numéro atomique et Â la longueur d'onde. L'absorption est déterminante dans le choix du spectre des faisceaux utiles en radiographie. Ainsi des filtres additionnels d'Aluminium sont ajouter aux tubes à rayons X pour durcir les spectres, c'est-à-dire pour enlever la partie de rayonnement mou qui ne sert qu'à augmenter la dose de rayonnement absorbé par l'objet et qui ne participe pas à l'image radiographique. On peut aussi utiliser les discontinuités d'émission : par exemple, les sources de mammographie utilisent des spectres de Molybdène filtrés par du Molybdène, ou de Rhodium filtrés par du Rhodium. L'énergie de la fréquence de coupure est légèrement supérieure à l'énergie de l'ensemble des deux raies Ka et Kp, de telle sorte qu'un filtre de même nature que l'anode absorbera les énergies inférieures à la zone des raies, et surtout supérieures en présentant une discontinuité d'absorption - une transparence - à l'endroit des raies émises par l'anode. Actuellement, il existe des sources à rayons X dont l'anode et le filtre sont réalisés à partir d'un matériau de même nature. Dans ce cas, si la tension d'excitation est légèrement supérieure à l'énergie des raies spectrales, soit par exemple égale ou supérieure à 22 keV dans le cas du Molybdène, avec un filtre d'épaisseur appropriée, il est possible de ne garder du spectre que l'ensemble des photons autour des raies spectrales comme le montrent les figures 4a à 4c qui sont respectivement, en fonction de l'énergie des photons X émis, l'intensité du rayonnement d'une anode, la variation d'absorption d'un filtre de même nature que cette anode et le rayonnement résultant de leur association. Dans certains cas, par exemple pour le Rhodium où l'énergie de la raie K est égale à 20,21 keV et celle de la raie Kp est égale à 23,10 keV, cette zone est trop large et présente une gamme de photons d'énergie trop étendue. Le but de la présente invention étant de résoudre ce problème, elle a pour objet une source à rayons X composée d'un tube à rayons X, d'une gaine protectrice et d'un filtre absorbant placé sur le trajet du faisceau de rayons X émis par le tube, ledit tube comprenant sous vide une cathode et une anode dont la face en regard de la cathode est en matériau à numéro atomique élevé destiné à émettre des rayons X sous l'effet des électrons émis par la cathode, caractérisée en ce que le matériau constituant le filtre présente une fréquence de coupure comprise entre les deux raies caractéristiques Ka et Kp du spectre du rayonnement émis par le matériau de l'anode. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description suivante illustrée par - la figure 5a qui est le spectre de rayonnement d'une anode en Molybdène superposé à la variation de l'absorption d'un filtre en Niobium; - la figure 5b qui est le spectre de rayonnement résultant de leur association; les figures 1 à 4 déjà décrites concernent l'art antérieur. L'objet de l'invention se rapporte à une source à rayons X pour la mammographie, ayant pour caractéristique essentielle l'association d'un matériau d'anode et d'un matériau de filtre absorbant telle que la fréquence de coupure du filtre est entre les raies caractéristiques Ka et Kp du spectre de rayonnement émis par l'anode. Le filtre absorbant est placé sur le trajet du faisceau de rayons X émis par le tube, généralement à l'extérieur de la gaine protectrice mais pouvant aussi être mis à l'intérieur. A chaque matériau d'anode, un ou deux éléments seulement pourront remplir cette condition. Ainsi pour le Molybdène, utilisé en mammographie pour réaliser une anode de source à rayons X, et dont les deux raies caractéristiques du spectre de rayonnement sont respectivement à 17,5 keV et 19,5 kev, avec une fréquence de coupure du filtre en Molybdène à 20 keV, l'association avec un filtre en Niobium, dont la fréquence de coupure est à 18,99 keV, permet d'éliminer la raie Kp du Molybdène. La figure 5a est la superposition de I'intensité I de rayonnement du Molybdène et de la variation de l'absorption du Niobium, en fonction de l'énergie des photons, et la figure 5b est l'intensité du rayonnement d'une anode en Molybdène à laquelle est associé un filtre en Niobium. On constate que seule subsiste la raie caractéristique K du Molybdène. Pour le Rhodium, également utilisé pour réaliser des anodes de mammographie, il faut associer un filtre en Ruthénium dont la limite d'absorption est à 22,12 keV pour ne garder que la raie caractéristique Ka à 20,2 keV et éliminer la raie d'énergie 23,2 keV trop pénétrante et donc responsable de la diminution du contraste de l'image dans certains cas. Selon une variante de l'invention, il est possible de créer une source à rayons X à partir de l'association d'une anode et de différents filtres dont les matériaux respectifs présentent les mêmes caractéristiques vis-à-vis de cette anode que celles décrites précédemment, dans le but d'obtenir des images de mammographie particulières par exemple. Un mode particulier de réalisation d'une association selon l'invention consiste à associer un tube à rayons X à anode en Rhodium et un filtre en Ruthénium, d'une épaisseur égale à environ 3/lOOmm, sur le faisceau direct des rayons X émis par l'anode. Le spectre du rayonnement obtenu en sortie du filtre ne présente que la raie Ka à 20,21 keV du Rhodium, la fréquence de coupure du filtre étant à 22 keV. Or, si l'énergie du rayonnement participant à l'image de mammographie est voisine de 20,2 keV, l'énergie moyenne du rayonnement diffusé par le sein est à 0,8 keV en dessous, soit de 19,4 keV. L'invention consiste à remplacer la grille antidiffusion, habituellement utilisée et qui est un filtre mécanique, en premier lieu par une plaque de Molybdène dont la fréquence de coupure est à 20,00 keV. En sortie de ce filtre de Molybdène, seul le rayonnement diffusé à 19,4 keV est recueilli. En second lieu, on remplace ce filtre de Molybdène par une plaque de Ruthénium qui laisse passer à son tour l'image de mammographie et le rayonnement diffusé par le sein. La soustraction de ces deux résultats obtenus après traversée de ces deux plaques respectives permet d'obtenir l'image filtrée. L'invention a aussi permis l'amélioration de la qualité de l'image et notamment son contraste. REVENDICATIONS 1. Source à rayons X pour la mammographie composée d'un tube à rayons X, d'une gaine protectrice et d'un filtre absorbant placé sur le trajet du faisceau de rayons X émis par le tube, ledit tube comprenant sous vide une cathode et une anode dont la face en regard de la cathode est en matériau à numéro atomique élevé destiné à émettre des rayons X sous l'effet des électrons émis par la cathode, caractérisée en ce que le matériau constituant le filtre présente une fréquence de coupure comprise entre les deux raies caractéristiques K et Kp du spectre du rayonnement émis par le matériau de l'anode. 2. Source à rayons X selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'anode est en Molybdène et le filtre est en Niobium. 3. Source à rayons X selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'anode est en Rhodium et le filtre est en Ruthénium.