FR2795864A1 - Generateur de rayons x a balayage pour systeme d'imagerie susceptible de fonctionner a grande vitesse - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un générateur de rayons X à faisceau balayant (18) comportant une source d'électrons (11) produisant un faisceau d'électrons (12) vers une anode (13) qui lorsqu'elle est percutée par les électrons émet des rayons X (15) vers un diaphragme (16) doté d'une fente (17). Il comporte entre la source d'électrons (11) et l'anode (13) des moyens (10) pour dévier le faisceau d'électrons (12) de manière à ce qu'il excursionne une zone (A-B) de l'anode. Le diaphragme (16) est stationnaire par rapport à la source d'électrons. Le faisceau de rayons X balayant (18) émerge du diaphragme (16) par la fente (17). Générateur de rayons X permettant d'éliminer les rayons X diffusés.

Description

GENERATEUR <B>DE RAYONS X A BALAYAGE POUR</B> SYSTEME <B>D'IMAGERIE SUSCEPTIBLE DE FONCTIONNER A GRANDE VITESSE.</B> La présente invention est relative à un générateur de rayons X pour système d'imagerie susceptible de fonctionner à grande vitesse.

Les systèmes d'imagerie à rayons X sont généralement utilisés soit dans le domaine médical soit dans le domaine du contrôle non destructif. Dans ces types d'application, on cherche à obtenir des images de bonne qualité et notamment bien contrastées avec des doses acceptables de rayons X.

Un système d'imagerie à rayons X classique utilisé dans le domaine médical comporte généralement un générateur de rayons X délivrant un rayonnement X auquel est exposé un patient et à l'opposé du générateur de rayons X, un système de détection qui détecte le rayonnement X ayant traversé le patient et qui est alors porteur d'une image. Le générateur de rayons X et le patient sont positionnés l'un par rapport à l'autre de manière que le champ d'irradiation du faisceau de rayons X couvre simultanément toute la zone à imager.

Le système de détection peut être basé soit sur le principe d'un tube intensificateur d'image radiologique IIR, soit sur le principe d'un détecteur à l'état solide.

Un tube intensificateur d'image radiologique IIR convertit les rayons X qu'il reçoit par sa face d'entrée en un signal lumineux amplifié en luminance visible sur une fenêtre d'entrée.

Cette image est généralement distribuée par un détecteur d'image tel qu'une caméra de prise de vue de télévision couplée à un dispositif de visualisation et à un dispositif d'acquisition et de traitement de signaux.

Or, une partie importante des rayons X qui traverse le patient est diffusée, c'est-à-dire qu'elle est déviée. Ces rayons X ne conservent pas une trajectoire rectiligne depuis le générateur de rayons X jusqu'au système de détection. Ces rayons X déviés ou diffusés sont quand même détectés par le système de détection, et l'image détectée est détériorée par rapport à celle qui serait fournie par les rayons X utiles, c'est à dire ceux qui n'ont pas été déviés. Cette détérioration se traduit par une dégradation de contraste. Pour éviter de détecter ces rayons X diffusés, on utilise une grille antidiffusante placée entre le patient et le système de détection.

Cette grille antidiffusante possède des ouvertures orientées selon la direction des rayons X utiles de manière à absorber les rayons X diffusés qui ont un angle d'incidence différent de celui des rayons X utiles.

Mais tous les rayons X qui émergent du patient et qui n'ont pas été déviés ne sont pas tous transmis jusqu'au système de détection car un certain nombre de ces rayons X utiles arrivent sur des montants de la grille antidiffusante et sont eux aussi absorbés. Même en réalisant une grille avec des montants fins, on s'aperçoit que le système de détection ne reçoit au maximum qu'environ 50 % des rayons X utiles.

La qualité d'une image radiologique en termes de rapport signal sur bruit dépend directement de la quantité des rayons X utiles qui arrivent sur la zone sensible du système de détection.

Si on ne veut pas être en présence d'une diminution du rapport signal sur bruit, on est amené à augmenter la dose de rayons X fournie par le générateur ce qui n'est pas souhaitable pour le patient.

Un autre système a été proposé pour s'affranchir des rayons X diffusés de manière appréciable.

On utilise un générateur de rayons X dit à balayage de fente comme représenté en 1 aux figures 1 a, 1 b. Ces figures sont représentées à des instants différents pendant le fonctionnement d'un tel générateur. Le générateur de rayons X 1 délivre un faisceau 2 de rayons X qui au lieu d'irradier simultanément toute la zone à imager du patient P, l'irradie progressivement en la balayant.

Le générateur de rayons X 1 coopère avec un système de détection D réalisé par une barrette d'éléments détecteurs à l'état solide dont les dimensions en longueur et largeur correspondent sensiblement à celles de l'image du champ d'irradiation qu'il reçoit à un instant donné. Le générateur de rayons X 1 comporte une source S, classique en elle-même, qui délivre des rayons X R dirigés vers un diaphragme 3 doté d'une fente 4. Cette fente est rectiligne. Ce diaphragme 3 absorbe les rayons X R provenant de la source S à l'exception de ceux qui passent à travers la fente 4 et qui forment alors un faisceau 2. Pour pouvoir irradier le patient P en le balayant, le diaphragme 3 est déplaçable face à la zone à imager du patient. Cette zone est repérée AU sur la figure 1, c'est une surface à deux dimensions qui est orientée perpendiculairement au plan de la figure. Le déplacement du diaphragme 3 se fait dans une direction sensiblement parallèle à la surface à imager selon un mouvement de va-et-vient.

La longueur de la fente 4, dirigée perpendiculairement au plan de la figure ou à la direction de déplacement du diaphragme, est du même ordre de grandeur que la dimension de la surface à imager A'B' orientée perpendiculairement à la direction de déplacement du diaphragme.

La largeur d de la fente 4, dirigée parallèlement à la direction de déplacement du diaphragme 3 est petite devant l'autre dimension de la surface à imager A'B'.

Cette largeur d combinée à l'amplitude du déplacement du diaphragme 3 sont telles que le faisceau 2 a irradié totalement la surface à imager AU lorsque le diaphragme a terminé sa course dans un sens.

La barrette D d'éléments détecteurs à l'état solide se déplace en synchronisme avec le diaphragme 3 afin de ne détecter que les rayons X utiles et pas les rayons X diffusés.

Mais ces deux mouvements mécaniques de balayage sont particulièrement difficiles à mettre en oeuvre car ils doivent être aussi rectilignes et uniformes que possible et parfaitement synchrones. Cela nécessite une mécanique (schématisée en pointillés) de précision très coûteuse. Le diaphragme est un élément lourd car en plomb, tungstène ou autre matériau à fort pouvoir d'absorption.

Si les vitesses de déplacement ne posent pas trop de problème en radiographie où les temps de pose sont de l'ordre de quelques secondes, de tels systèmes d'imagerie ne peuvent fonctionner en fluoroscopie, car on effectue de nombreuses prises d'image dans un temps très court et la vitesse de balayage de la surface à imager est élevée et atteint typiquement 25 à 30 prises d'image par seconde.

La présente invention vise à proposer un générateur de rayons X à balayage qui ne pose pas les problèmes rencontrés précédemment. A cet effet le générateur de rayons X selon l'invention ne possède plus de diaphragme mobile.

Pour y parvenir, le générateur de rayons X à faisceau balayant comporte une source d'électrons produisant un faisceau d'électrons vers une anode qui lorsqu'elle est percutée par les électrons émet des rayons X vers un diaphragme doté d'une fente et stationnaire par rapport à la source d'électrons. Le générateur de rayons X comporte entre la source d'électrons et l'anode des moyens pour dévier le faisceau d'électrons, de manière à ce qu'il excursionne une zone de l'anode et que du diaphragme émerge le faisceau de rayons X balayant.

La déviation du faisceau d'électrons peut être obtenue de manière électromagnétique c'est à dire soit de manière électrostatique, soit de manière magnétique.

Dans le premier cas, la déviation est obtenue en appliquant une tension variable à un ou plusieurs couples d'électrodes placées en vis à vis de part et d'autre du faisceau d'électrons, de manière à créer un champ électrique transverse, perpendiculaire au champ électrique principal qui s'établit entre la source d'électrons et l'anode.

Dans le deuxième cas, la déviation est obtenue en injectant un courant d'intensité variable dans un ou plusieurs couples de bobines placées en vis à vis de part et d'autres du faisceau d'électrons, de manière à créer un champ magnétique transverse, perpendiculaire au champ électrique principal qui s'établit entre la source d'électrons et d'anode.

En proposant un générateur de rayons X à balayage à diaphragme fixe, il est possible de conférer au faisceau de rayons X des vitesses de balayage beaucoup plus élevées que celles obtenues avec un diaphragme mobile mécaniquement et notamment des vitesses compatibles avec celles requises pour réaliser des prises de vue vidéo en temps réel, c'est à dire atteignant plusieurs dizaines d'images par seconde.

Pour autoriser des prises d'images successives d'une zone à balayer par le faisceau de rayons X, le champ électromagnétique sera périodique. Pour optimiser la qualité des rayons X du faisceau balayant, on s'arrange pour configurer la surface de l'anode de manière à ce que les rayons X qui traversent le diaphragme et constituent le faisceau balayant soient émis avec un angle sensiblement constant par rapport à la surface de l'anode et ce quel que soit le lieu d'impact des électrons.

La surface de l'anode répondant à ces contraintes peut être discrète ou continue. D'autres caractéristiques ou avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemples non limitatifs et illustrée des figures jointes qui représentent: - les figures la,<B>lb,</B> déjà décrites, des vues en coupe d'un générateur de rayons X connu avec diaphragme mobile ; - les figures 2, 3, 4 des coupes schématiques de diverses variantes de générateurs de rayons X à faisceau balayant conformes à l'invention.

On se réfère maintenant aux figures 2 à 4 sur lesquelles les mêmes éléments portent les mêmes références. La source d'électrons porte la référence 11, elle inclut une cathode qui lorsqu'elle est chauffée génère un faisceau d'électrons 12. Ce faisceau d'électrons 12 est accéléré et focalisé par des moyens classiques (non représentés) vers une anode 13 qui comporte une zone cible 14 ou une zone d'impact. Un champ électrique principal dirigé selon l'axe XX s'établit entre la source d'électrons 11 et l'anode 13. La zone cible 14 lorsqu'elle est percutée par les électrons du faisceau 12 produit des rayons X 15. La zone cible 14 peut être réalisée en tungstène ou tout autre matériau approprié. Ces rayons X 15 sont émis vers un diaphragme 16 doté d'une fente 17. La fente 17 est rectiligne.

Selon l'invention, le générateur de rayons X de l'invention comporte des moyens 10 pour dévier le faisceau d'électrons 12 de manière à ce qu'il excursionne la zone cible 14. Sur les figures, l'excursion se fait entre les points A et B de la zone cible 14 qui est face au diaphragme. Ces moyens 10 sont disposés entre la source d'électrons 11 et l'anode 13. La déviation se fait transversalement à l'axe XX du faisceau d'électrons 12 non dévié.

Selon une caractéristique de l'invention le diaphragme 16 et la source d'électrons 11 sont stationnaires l'un par rapport à l'autre.

Certains rayons X 15 sont arrêtés par le diaphragme 16 et d'autres le franchissent au niveau de la fente 17. Avec un tel mouvement de balayage du faisceau d'électrons 12 sur la zone cible 14, les rayons X 15 qui franchissent le diaphragme 16 par la fente 17 constituent le faisceau de rayons X 18 balayant. Ce faisceau de rayons X balayant 18 peut alors excursionner de manière rectiligne une surface A'B' à imager d'un objet ou d'un patient 19. Ce balayage se produit dans l'espace et dans le temps. L'amplitude du mouvement de balayage du faisceau d'électrons et le positionnement relatif de l'anode 13 du diaphragme 16 et de l'objet ou du patient 19 sont adaptés de manière que l'amplitude du balayage du faisceau de rayons X 18 corresponde à la surface à imager AB'. Le générateur de rayons X à faisceau balayant conforme à l'invention est stationnaire par rapport à la surface à imager A'B'.

Les moyens 10 pour dévier le faisceau d'électrons 12 peuvent être électromagnétiques et plus particulièrement, comme l'illustre la figure 2, électrostatiques et réalisés par un champ électrique E variable établi par exemple entre au moins un couple d'électrodes 10.1, 10.2, en forme de plaques par exemple, placées en vis à vis, de part et d'autre du faisceau d'électrons 12 et entre lesquelles s'applique une tension variable V. Le champ électrique E qui s'établit entre le couple de plaques 10.1, 10.2 est transverse, perpendiculaire au champ électrique principal qui s'établit classiquement entre la source 11 d'électrons et l'anode 13. Le champ électrique E est orienté perpendiculairement à l'axe XX' du faisceau d'électrons 12 non dévié de manière à définir avec cet axe XX' un plan de balayage.

Dans l'exemple représenté à la figure 2, le champ électrique E est alternatif pour obtenir une excursion du faisceau d'électrons 12 entre les limites A et B indiquées sur la zone cible 14 de l'anode 13, car le faisceau d'électrons 12 non dévié atteint la zone cible 14 sensiblement au milieu entre les limites A et B. La tension V appliquée est alternative. II serait envisageable d'appliquer d'autres types de signaux en fonction de la position relative du faisceau d'électrons 12 non dévié et de la zone cible 14 de l'anode 13.

Pour que le faisceau d'électrons 12 réalise une succession de balayages entre A et B, il suffit que la tension V soit périodique et donc que le champ électrique E qu 'elle crée aussi. Le balayage du faisceau de rayons X 18 se fera au rythme du balayage du faisceau d'électrons 12 et des périodes de l'ordre du dixième de seconde permettent d'atteindre la cadence des prises de vue vidéo en temps réel.

Au lieu d'utiliser des moyens électrostatiques 10.1, 10.2 pour dévier le faisceau d'électrons 12, il est possible d'utiliser des moyens magnétiques comme l'illustre la figure 3. Au moins un couple de bobines 10.3 et 10.4 est placé à proximité du faisceau d'électrons 12 entre la source d'électrons 11 et l'anode 13. Les deux bobines 10.3 et 10.4 sont placées de part et d'autre du faisceau d'électrons 12. Elles génèrent un champ magnétique Bb variable orienté transversalement à l'axe XX et perpendiculairement au plan de la figure. Ce champ magnétique Bb crée une force qui dévie les électrons du faisceau 12 dans le plan de la figure. Sur la figure 3, les deux bobines 10.3, 10.4 ne sont pas visibles toutes les deux car elles sont vues l'une au-dessus de l'autre.

Pour obtenir le balayage requis, les bobines 10.3 et 10.4 sont alimentées par un courant I variable. De la même manière que précédemment le courant I peut être alternatif ce qui rend le champ magnétique alternatif et permet d'obtenir un balayage entre les limites A et B de la zone cible 14 si le faisceau d'électrons non dévié atteint la zone cible 14 dans une zone centrale par rapport aux limites A et B. Pour obtenir une succession de balayages il suffit que le champ magnétique soit périodique et la zone cible 14 sera balayée entre les limites A et B au rythme de la période.

Le courant I dans les bobines 10.3, 10.4 ou la tension V aux bornes des électrodes 10.1, 10.2 peuvent être choisis triangulaires, sinusoïdaux, en dent de scie<B>....</B> ces formes de signaux n'étant pas les seules possibles.

L'ensemble source d'électrons 11, anode 13 est confiné sous vide et, à cet effet, placé dans une enceinte à vide 32 partiellement représentée sur les figures 2 à 4.

Les moyens 10 pour dévier le faisceau d'électrons 12 sont localisés à l'intérieur de l'enceinte 32 comme sur les figures 2 et 3, soit à l'extérieur comme sur la figure 4.

Comme dans l'art antérieur, le diaphragme 16 et la surface à imager AU sont placés en vis-à-vis de préférence dans des plans sensiblement parallèles. La surface à imager se trouve dans un plan perpendiculaire au plan de coupe de la figure 2. La fente 17 rectiligne a sa longueur, dirigée perpendiculairement au plan de la figure 2 et donc perpendiculairement à la direction de balayage du faisceau de rayons X 18. Cette longueur est du même ordre de grandeur que la dimension de la surface à imager placée perpendiculairement à la direction de balayage. La largeur de la fente 17, notée d, est très petite par rapport à l'autre dimension de la surface à imager A'B'. Elle est dirigée selon la direction de balayage du faisceau de rayons X 18.

Avec une telle fente 17, le diaphragme 16 et la source d'électrons 11 stationnaires l'un par rapport à l'autre, le faisceau de rayons X balayant 18 peut excursionner toute la surface à imager AU sans introduire d'élément mécanique mobile.

On peut être amené à rendre variable la largeur d de la fente 17 pour optimiser à chaque utilisation le compromis entre la finesse de la fente et le débit de rayons X nécessaire à l'examen pratiqué. La figure 4 illustre cette caractéristique en prévoyant un volet 33 qui peut être déplacé long du diaphragme 16.

II existe un certain nombre de contraintes à respecter au niveau de l'anode 13 pour que le faisceau de rayons X balayant 18 donne une image de qualité optimum.

L'anode 13 possède une zone d'impact 14 inclinée par rapport à la direction des rayons X utiles, c'est à dire dans notre invention, par rapport à la direction des rayons X qui vont traverser le diaphragme 16. Cette inclinaison notée a est choisie pour que, à un instant donné, le foyer c'est-à- dire l'impact sur l'anode soit aussi petit que possible de manière à obtenir une image de bonne finesse. Mais on n'a pas intérêt à trop réduire les dimensions de l'impact pour ne pas trop concentrer d'énergie calorifique sur l'anode. Généralement l'angle a optimum est de l'ordre d'une vingtaine de degrés.

Or, dans le générateur conforme à l'invention, avec un faisceau d'électrons animé d'un mouvement de balayage, une source d'électrons 11 et un diaphragme 16 stationnaires l'un par rapport à l'autre, on s'aperçoit que si on utilise une surface d'anode 13 inclinée soit plane, soit conique, les rayons X 15 qui traversent le diaphragme et constituent le faisceau de rayons X 18 balayant, ne sont pas émis avec un angle a constant. II en résulte que dans cette configuration, les rayons X du faisceau balayant 18 ne possèdent pas tous le même spectre d'émission optimum.

En optimisant la surface de l'anode 13 de manière à ce que le faisceau de rayons X balayant,<B>18</B> soit constitué de rayons X émis avec un angle a sensiblement constant quel que soit le lieu de l'impact des électrons sur l'anode 13, on peut éviter cette variation de la qualité du spectre des rayons X. A cet effet, les figures 3 et 4 montrent des variantes de surface d'anode 13 permettant d'optimiser l'émission des rayons X.

Sur la figure 3, la surface de l'anode 13 est discrète, elle possède des marches 30 reliées entre elles par des contre marches 31.

Les marches 30 sont des surfaces d'impact pour les électrons et les contremarches 31 sont orientées de manière à ne pas être percutées ou à être peu percutées.

Toutes les marches 30 percutées par le faisceau d'électrons 12 balayant sont orientées de manière à ce que les rayons X 15 constituant le faisceau de rayons X balayant 18 sont émis avec un angle a sensiblement constant par rapport à la surface de l'anode quel que soit le lieu de l'impact. Les rayons X émis dans une autre direction sont arrêtés par le diaphragme 16.

Dans une telle configuration, chaque marche 30 qui donne naissance à des rayons X possède sa propre orientation par rapport au diaphragme 16, cette orientation étant différente d'une marche 30 à une autre.

Au lieu de donner à la surface de l'anode 13 une surface discrète, il est possible de lui donner une surface continue comme l'illustre la figure 4. Dans cette configuration, on retrouve l'angle a sensiblement constant quel que soit le lieu de l'impact sur l'anode.

II est préférable que le diaphragme 16 soit localisé à l'extérieur de l'enceinte à vide 32 car on peut être amené à le changer en fonction du type de l'examen pratiqué.

De manière classique, l'anode 13 pourra être stationnaire par rapport à la source d'électrons 10 ou bien tournante autour d'un axe de révolution YY' comme l'illustre la figure 4. Cette particularité permet, en augmentant la surface de la zone d'impact qui devient annulaire de réduire son échauffement.

Un tel générateur de rayons X peut coopérer notamment avec un système de détection D tel que décrit à la figure 1, animé d'un mouvement de balayage calqué sur celui du faisceau de rayons X 18.

Tout diffusé est ainsi éliminé puisque le détecteur D ne peut détecter à un instant donné que l'image du champ d'irradiation. REVENDICATIONS 1. Générateur de rayons X à faisceau balayant (18) comportant une source d'électrons (11) produisant un faisceau d'électrons (12) vers une anode (13) qui lorsqu'elle est percutée par les électrons émet des rayons X (15) vers un diaphragme (16) doté d'une fente (17), caractérisé en ce qu'il comporte entre la source d'électrons (11) et l'anode (13) des moyens (10) pour dévier le faisceau d'électrons (12) de manière à ce qu'il excursionne une zone (A-B) de l'anode, le diaphragme (16) étant stationnaire par rapport à la source d'électrons, le faisceau de rayons X balayant (18) émergeant du diaphragme (16) par la fente (17).

2. Générateur de rayons X selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (10) pour dévier le faisceau d'électrons créent un champ électromagnétique variable au voisinage du faisceau d'électrons (12).

3. Générateur de rayons X selon la revendication 2, caractérisé en ce que le champ électromagnétique est périodique.

4. Générateur de rayons X selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le champ électromagnétique est alternatif.

5. Générateur de rayons X selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens pour dévier le faisceau d'électrons comportent au moins un couple d'électrodes (10.1, 10.2) en vis à vis, situées de part et d'autre du faisceau d'électrons (12) de manière à créer un champ électrique transverse sensiblement perpendiculaire à celui qui s'établit entre la source d'électrons (11) et l'anode (13).

6. Générateur de rayons X selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens pour dévier le faisceau d'électrons comportent au moins un couple de bobines (10.3, 10.4) en vis à vis, situées de part et d'autre du faisceau d'électrons (12) de manière à créer un champ magnétique transverse sensiblement perpendiculaire au champ électrique qui s'établit entre la source d'électrons (11) et l'anode (13).

7. Générateur de rayons X selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la surface (A-B) de l'anode percutée par le faisceau d'électrons (12) est configurée de manière à ce que les rayons X (15) qui traversent le diaphragme soient émis avec un angle (a) d'émission par rapport à la surface (A-B) de l'anode sensiblement constant quel que soit le lieu d'impact du faisceau d'électrons à la surface de l'anode.

8. Générateur de rayons X selon la revendication 7, caractérisé en ce que la surface de l'anode est discrète.

9. Générateur de rayons X selon la revendication 7, caractérisé en ce que la surface de l'anode est continue.

10. Générateur de rayons X selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le diaphragme (16) est placé à l'extérieur d'une enveloppe à vide (32) qui maintient sous vide la source d'électrons (11) et l'anode (13).

11. Générateur de rayons X selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la fente (17) est rectiligne.

12. Générateur de rayons X selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la largeur (d) de la fente est ajustable.

13. Générateur de rayons X selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la largeur de la fente est dirigée selon la direction du balayage du faisceau de rayons X balayant.

14. Générateur de rayons X selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le mouvement de balayage du faisceau de rayons X est rectiligne.