Imagerie acoustique générée par rayons X

Le principe fondamental de l'imagerie acoustique générée par rayon X repose sur l'effet photoélectrique déjà utilisé dans la photoacoustique mais dont la source d'excitation des atomes n'est pas un laser mais un accélérateur de particules produisant un rayonnement X à haute énergie.

Illustration de l'effet Auger.

Le photon X émis par la source est absorbé par excitation d'électrons de la couche interne d'un atome qui induit des photoélectrons. L'atome est alors désexcité ou bien par radiation électromagnétique ou bien par le processus de l'électron Auger. Les photoélectrons et les électrons Auger, par collisions, vont transférer leur énergie cinétique aux atomes environnants entraînant une avalanche jusqu'à atteindre un équilibre thermique. En effet, les électrons excités thermiquement transfèrent leur chaleur par une interaction électron-phonon aux atomes voisins, ce qui crée une hausse locale de la température. Cette hausse de température a pour conséquence la génération d'une onde de pression p qui sera captée par le transducteur à ultrasons et permettra la formation d'une image.

• La fonction relative à la source de chaleur ${\displaystyle H({\overrightarrow {r}},t)}$ s'exprime en fonction de l’absorption spatiale du rayon X ${\displaystyle A(r)}$ et de l'intensité ${\displaystyle I(t)}$ :
  ${\displaystyle H({\overrightarrow {r}},t)=A(r)I(t)}$

• La formule liant l'onde acoustique p à ${\displaystyle H({\overrightarrow {r}},t)}$ à la position ${\displaystyle {\overrightarrow {r}}}$ et au temps ${\displaystyle t}$ est la suivante :

${\displaystyle \nabla ^{2}p({\overrightarrow {r}},t)-{\frac {1}{v_{s}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}p({\overrightarrow {r}},t)=-{\frac {\beta }{C_{p}}}{\frac {\partial }{\partial t}}H({\overrightarrow {r}},t)}$

Où ${\displaystyle C_{p}}$ est la capacité thermique à pression constante en ${\displaystyle J.K^{-1}.kg^{-1}}$, ${\displaystyle \beta }$ est le coefficient de dilatation thermique isobare en ${\displaystyle K^{-1}}$ et ${\displaystyle v_{s}}$ la vitesse du son dans le milieu.

• En plaçant l'origine du repère au niveau du transducteur, la pression ${\displaystyle p}$ au moment ${\displaystyle t}$ au niveau du récepteur s'exprime par la formule :

${\displaystyle p(r,t)={\frac {\beta }{4\pi C_{p}}}\int \int \int {\frac {\partial H(r,t')}{\partial t'}}{\frac {dr}{r}}}$

Où ${\displaystyle t'=t-{\frac {r}{c}}}$ et ${\displaystyle r=|{\overrightarrow {r}}|}$

Cette onde de pression dépend donc des paramètres thermo-mécaniques des corps mais aussi de la probabilité de l'effet photoélectrique, de l'énergie des photons et de la géométrie du problème.

Illustration de la mise en œuvre technique de l'imagerie acoustique générée par rayon X
(a) Schéma de la génération et de la détection de l'onde acoustique
(b) Chronogramme du faisceau de rayons X pulsé généré par LINAC
(c) Schéma des différents éléments pour la génération et la détection

Un accélérateur linéaire permet de produire des faisceaux de rayons X à haute énergie (de l'ordre du MeV) qui sont dirigés vers un corps absorbant. Ces faisceaux pulsés sont regroupés en paquets qui sont envoyés à intervalle de temps régulier. Les rayons X sont absorbés par le corps dont on souhaite réaliser une image et entraînent la production d'ondes acoustiques ultrasonores. L’émission pulsée induit une onde plutôt qu'un simple front, plus difficilement détectable.

Ces ondes acoustiques sont détectées par un transducteurs à ultrasons dont la fréquence de résonance est de 500 kHz dans cette expérimentation. Le transducteur pivote autour du corps absorbant pour capturer les ondes à chaque séquence de paquet de rayons X générés par l'accélérateur linéaire. Dans le cas où le transconducteur n’est pas en contact avec le corps, ces derniers sont placés dans un milieu favorisant la propagation des ondes (eau par exemple). Les signaux ainsi détectés sont traités par une chaîne d'acquisition comme l’illustre la figure de droite. L'image XACT est alors formée grâce à l'algorithme de rétroprojection filtrée.

Les premières images ont été produites très récemment (2012) et la technologie est toujours en cours de développement.

Premières images XACT : barre de plomb dans un filet de poulet pour différentes énergies

À l'heure actuelle il est possible de distinguer deux applications majeures de cette technologie.

• La première concerne l'imagerie brute. On constate alors un avantage majeur face à la photoacoustique qui est la profondeur d'exploration puisque les rayons X pénètrent plus facilement dans les tissus que de la lumière du spectre visible. Des études sont menées et visent à réduire les doses de rayonnements ionisants vis à vis d'une image radiologique classique. Des résultats encourageants sont attendus sur les mammographies.

• La seconde application concerne la dosimétrie lors d'une imagerie ou d'un traitement de radiothérapie. À l'heure actuelle il est difficile de quantifier les doses déposées lors des traitements. Cette technique pourrait résoudre cette problématique.

• (en) Liangzhong Xiang, Bin Han, Colin Carpenter, Guillem Pratx, Yu Kuang et Lei Xing, "X-ray acoustic computed tomography with pulsed x-ray beam from a medical linear accelerator", Medical Physics, Stanford , Stanford University (Department of Radiation Oncology, School of Medicine), 2013 [lire en ligne]
• (en) Susannah Hickling, Pierre Léger, Issam El Naqa, "Simulation and Experimental Detection of Radiation - Induced Acoustic Waves from a Radiotherapy Linear Accelerator", Montreal, McGill University, 2014
• (en) W. Assmann, S. Kellnberger, S. Reinhardt, S. Lehrack, A. Edlich, P. G. Thirolf, M. Moser, G. Dollinger, M. Omar, V. Ntziachristos, and K. Parodi "Ionoacoustic characterization of the proton Bragg peak with submillimeter accuracy", Medical Physics, Germany, 2015 [lire en ligne]
• (en) M.E. Garcia, G. M. Pastor, and K. H. Bennemann, "Theory for the Photoacoustic Response to X-Ray Absorption", Physiscal Review, Berlin, Freie Universität Berlin (Insitute of theoretical physics), 1988